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CN104339088A - 用于在透明材料内执行激光成丝的系统 - Google Patents

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CN104339088A
CN104339088A CN201410380104.XA CN201410380104A CN104339088A CN 104339088 A CN104339088 A CN 104339088A CN 201410380104 A CN201410380104 A CN 201410380104A CN 104339088 A CN104339088 A CN 104339088A
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S·A·侯赛尼
罗正恩
G·阿尔贝罗
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Rofin Sinar Technologies Inc
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Abstract

本发明涉及用于在透明材料内执行激光成丝的系统。描述了用于在透明材料中形成连续的激光细丝的系统和方法。对超快激光脉冲的突发进行聚焦，使得在被处理的材料外部形成束腰，而没有形成外部等离子体沟道，同时在材料内的延伸区域内形成足够的能量密度以支持形成连续细丝，而没有导致材料内的光学破坏。根据该方法形成的细丝可以呈现直到并超过10mm的长度。在一些实施方式中，有像差光学聚焦元件用于产生外部束腰，同时在材料内产生入射光束的分布式聚焦。各种系统被描述为便于在透明基板内形成细丝阵列，以用于分割/分离和/或标记。细丝的光学监测可以用于提供反馈以便于处理的主动控制。

Description

用于在透明材料内执行激光成丝的系统
技术领域
本发明为透明材料内的激光成丝(laser filamentation)领域。
背景技术
本公开涉及用于材料的激光处理的系统和方法。更具体地说，本公开涉及用于分离和/或分割含有根据所述材料生成的无源或有源电子或电器件的晶片、基板和面板的系统和方法。
在当前制造中，晶片或玻璃面板的分离(singulation)、分切(dicing)、划线(scribing)、分割(cleaving)、切割(cutting)和切面(facet)处理是用于(作为一些示例)LED、LED装置(诸如照明组件)和照明装置(诸如LED显示器)的关键处理步骤，其通常依赖于金刚石或常规的烧蚀或破坏(隐形的)激光划线和切割，其速度高达30cm/sec。
在金刚石切割处理中，在执行金刚石切割之后，机械辊施加应力以使分割样品的裂纹蔓延。该处理产生质量差的边缘、微裂纹、宽切口宽度和大量碎屑，这些在产品的寿命、效率、质量和可靠性方面是主要缺点，同时还招致额外的清洁和抛光步骤。用于使金刚石划线器运行的去离子水的成本大于拥有划线器的成本，并且该技术并不有利于环境，这是因为水被污染并需要净化，这进一步添加了生产成本。
已针对分离、分切、划线、分割、切割和切面处理研发了激光烧蚀加工，以克服关于金刚石切割的一些局限。不幸的是，已知的激光处理方法尤其在透明材料中具有诸如低处理速度、产生裂纹、烧蚀碎屑的污染和中等大小的切口宽度这样的缺点。此外，在激光相互作用中的热传递能够导致大的附带热损坏区域(即热影响区)。
可通过选择具有由介质强烈吸收的波长的激光(例如，深UV激子激光或远红外CO2激光)改进激光烧蚀处理。然而，由于该物理烧蚀处理中固有的侵入性相互作用，导致不能消除前述缺点。根据采用的具体变通(work-around)技术，通过在特定LED应用中的UV处理的缺陷充分证明了这一点，其中损坏已经促使业界关注常规划线和折断以及随后的蚀刻，以去除烧蚀划线或金刚石划线工具留下的损坏区。
另选地，通过减小激光脉冲的持续时间，在透明介质的表面也可改进激光烧蚀。这对于穿透处理介质内的激光尤其有利。当聚焦到透明材料上或内时，高激光强度引起非线性吸收效果，以提供可被控制以将合适的激光能量准确地投入由聚焦体积(focal volume)限定的小体积的材料中的动态不透明性。短持续时间的脉冲提供优于长持续时间激光脉冲的多个其它优点，诸如消除等离子体产生并因此消除等离子体反射，从而在该激光脉冲的短得多的时间级别中通过小分量的热扩散和其它热传递效果减小附带损坏。
因此，飞秒和皮秒激光烧蚀在不透明和透明材料二者的加工中提供显著的优点。然而，通常，用几十至几百飞秒那么短的脉冲对透明材料加工还与针对易碎材料特别成问题的在激光形成的切口、孔或沟槽附近形成粗糙表面、慢生产量和微裂纹相关联，所述易碎材类似为氧化铝(Al2O3)、玻璃、掺杂的电介质和光学晶体。此外，烧蚀碎屑将污染附近的样品以及周围的装置和表面。近来，在日本已经讨论了利用纤维激光方法的多道飞秒切割。该方法需要进行多道工序，并且因此导致低处理生产量。
如上所述，虽然激光处理在克服与金刚石切割相关联的多个局限方面是成功的，但是新材料复合物已经提供了不能被激光划线的晶片和面板。此外，装置的大小和晶片上的切块变得更小并更靠近彼此，这限制了金刚石和常规基于激光的划线二者的用途。例如，30μm是可行的划线宽度，而15μm对于这些常规方法来说具有挑战性。此外，因为金刚石划线使用机械力来给基板划线，所以薄样品非常难以划线。由于在基于晶片的装置的制造中使用越来越奇异和复杂的材料堆叠件，所以先前应用的激光划线技术将由于堆叠件的不透明性而不再起作用。
发明内容
描述了用于在透明材料中形成连续激光细丝的系统和方法。对超快激光脉冲的突发进行聚焦，使得在正被处理的材料的外部形成束腰，从而主焦点没有形成在材料内，同时在材料内的延伸区域内形成足够的能量密度以支持形成连续细丝，而没有导致材料内的光学破坏。根据该方法形成的细丝可以呈现直到并超过10mm的长度，当在横截面中沿长轴观察时，与非锥形轮廓和改性区的长度1:1对应(因为，细丝是改性的媒介，所以改性区追踪1：1的细丝的范围)。在一些实施方式中，未校正或有像差光学聚焦元件用于产生外部束腰，同时在材料内产生入射光束的分布式聚焦。各种系统被描述为便于在透明基板内形成细丝阵列，以便分割/分离和/或标记。细丝的光学监测可以用于提供反馈以便于处理的主动控制。
因此，在第一方面，提供一种对透明材料进行激光处理的方法，该方法包括：
提供激光束，该激光束激光脉冲的突发；
相对于透明材料对激光束进行外部地聚焦，以在透明材料的外部的位置处形成束腰，同时避免形成外部等离子体沟道；
其中，对激光脉冲进行聚焦使得在透明材料内维持足够的能量密度，以在没有引起光学破坏的情况下在所述透明材料中形成连续激光细丝。
在另一方面，提供一种处理透明材料的方法，该方法包括如下步骤：
提供激光束，所述激光束具有多个突发，并且所述突发中的每个包括多个脉冲；
在所述透明材料外部产生所述激光束的初始束腰；
产生分布在所述透明材料内的弱聚焦激光束；以及
在所述透明材料中产生空间延伸且空间均质的细丝。
在另一方面，提供一种处理透明材料的方法，所述透明材料具有形成在材料表面内或材料表面上的金属层，所述激光束是细丝形成激光束，该方法包括如下步骤：
在所述透明材料内形成所述连续激光细丝之前：
通过将所述细丝形成激光束的功率减少为低于阈值，提供包括激光脉冲的突发的低功率激光束，以便在所述透明材料内形成细丝，同时维持足够能量以烧蚀所述金属层；以及在一个或更多个位置处以所述低功率激光束照射所述金属层，使得所述金属层被所述激光束局部烧蚀，从而在所述金属层内产生一个或更多个烧蚀标记。
在另一方面，提供一种其中形成有连续激光细丝的透明材料，所述连续激光细丝具有超过大约1mm的长度。
在另一方面，提供一种透明基板，所述透明基板呈现超过大约50MPa的分割后或分离后断裂强度。
在另一方面，提供一种用于对透明材料进行激光处理的系统，所述系统包括：
激光源，所述激光源被构造成提供激光束，所述激光束包括激光脉冲的突发；
一个或更多个聚焦元件，所述一个或更多个聚焦元件被构造成相对于所述透明材料对所述激光束进行外部地聚焦，以在所述透明材料外部的位置处形成束腰，同时避免外部等离子体沟道和内部等离子体中心的形成，其中，所述激光束和所述一个或更多个聚焦元件被构造成在所述透明材料内产生足够的能量密度，以在其中形成连续激光细丝，而没有导致光学破坏；
用于改变所述激光束以及所述透明材料之间的相对位置的装置；以及
控制和处理单元，所述控制和处理单元操作地连接到用于改变所述激光束和所述透明材料之间的所述相对位置的所述装置，其中，所述控制和处理单元被构造成控制所述激光束和所述透明材料之间的所述相对位置，以便在所述透明材料内形成连续的激光细丝的阵列。
能够通过参考以下详细描述和附图来获得对公开的功能性和有利方面的进一步理解。
附图说明
现在将参照附图仅以举例的方式描述本公开的实施方式，其中：
图1(a)-图1(e)示出了用于形成细丝的各种光学构造。图1(a)和图1(b)示出了利用涉及在材料内形成束腰的先前已知的方法的细丝的形成。图1(c)-图1(e)示出了其中通过聚焦光束能量形成长均质细丝以使得其“倾泻”到目标材料(形成“光学贮器”)上方和/或下方的焦点中，以调制传送至期望的细丝区的能量的量的各种实施方式。
图1(f)是根据本文公开的方法形成的细丝的示例图像，论证了形成具有均质和连续的轮廓的空间延伸的细丝，其中通过光束焦点的相对位置来确定细丝在材料内的深度和位置(各个细丝对应于25微米的垂直偏移)。
图1(g)是示出隐形分切和成丝处理方法之间的差别的玻璃样品的显微图像。
图2(a)和(b)示出了：(a)几毫米至几十毫米级别的长细丝区；而(b)示出了使光束穿过中间层而没有损坏中间层的能力。
图3示出了采用扫描器的示例透镜布置方式。采用包括位于扫描器之前或之后的非球面板的常规扫描透镜(例如远心的或其它)。该实施方式使得在弯曲路径上能够进行协同的运动和恒速处理。
图4示出了与图3所示的示例实施方式类似的示例实施方式，该示例实施方式采用不带非球面板的专用扫描透镜(远心的或非远心的)。
图5(a)-图5(e)示出了示例突发脉冲序列的特性。在一些实施方式中，能够控制子脉冲与突发分组之间的间隔，并且能够控制突发脉冲序列中的脉冲的数量。
图6示出了本文公开的方法生成具有通过在目标材料上勾画(trace)出路径形成的弯曲边缘和形状以产生期望形状的能力。可通过合适地选择系统部件来实现细丝的位置和取向的随机控制。
图7(a)是用于执行本文公开的方法的示例设备的示意性布局，并且其中系统包括台面、扫描器、透镜阵列和伺服控制的XYZ定位器。
图7(b)是示例控制和处理系统的框图。
图8(a)和图8(b)示出了在示例实施方式中轴线相对于处理部分的关系，示出了利用(a)非远心的透镜和(b)远心的透镜，可如何控制设备以处理宽阵列的基板形状和取向。
图8(c)示出了其中支承正被处理的材料的台面旋转以产生有角度的细丝的示例实施方式。
图9描绘了利用本文公开的方法生产部件的示例系统。可采用这种实施方式，以在高边缘质量和速度的情况下分离基本透明介质。
图10(a)-图10(c)示出了利用θ台面以非正交地(即相对于目标表面<90°或>90°)定位本文描述的设备的示例实施方式，以产生有角度的细丝分割平面。该实施方式使得产生的部件带有不垂直于所述表面的边缘(例如倒角部分)。例如，利用θ台面，可勾画出圆形路径以产生具有切除部分的部分，所述切除部分具有有角度的边缘特征。
图10(d)和图10(e)示出了通过利用多细丝形成束以不同角度的处理形成倒角的边缘。
图10(f)-图10(i)示出了利用多次切割以获得倒角的边缘的碱石灰玻璃的处理。
图10(j)至图10(l)以不同的放大水平示出了倒角的切面的侧视图。
图10(m)至图10(o)示出了对一部分三次切割以获得具有中间垂直边缘和两个倒角边缘的边缘的处理。
图11(a)示出了根据本文公开的方法处理晶片的示例旋转处理工具的示意图。
图11(b)示出了图11(a)所示的处理阶段，提供多基板、多光束和多激光头能力的示例实现。
图11(c)-图11(f)示出了用于利用单个激光系统在四个晶片上执行激光细丝处理的系统的示例实现。
图12示出了在具有随意可变半径的圆角的母片材的切除部分中具有复杂边缘和形状的处理的材料的示例实现。
图13(a)和图13(b)示出了显示通过选择和控制细丝间隔而可变的切割边缘粗糙度的示例实施方式。
图14(a)-图14(c)示出了如ASTMC158中描述的用于确定分离的材料的处理的断裂强度的断裂强度测试协议。图14(a)和图14(b)示出了两个示例断裂强度测量构造，而图14(c)示出了用于确定特性强度的示例威布尔图。
图15(a)-图15(d)示出了经待伺服的适用光学组件通过伺服z和“掌控光束”从弯曲目标形成复杂样条部分的示例实施方式。光束(图15(a))和/或部分(图15(b，c))可旋转、倾斜或以其它方式操纵，以生成非常宽的处理窗和产生复杂表面曲率的部件的能力。图15(d)提供了这种实施方式的示例实现，其示出了经细丝形成处理的玻璃部件，以表现出圆边缘。
图16(a)示出了其中在以法向和/或非法向角进行切割的单道中可切割或处理多层基板的示例实施方式。
图16(b)示出了厚度为2.1mm的三层层压的玻璃基板的处理。
图16(c)示出了电子显微图像，包括两个空气间隙中间粘合剂层的细丝处理的多层装置的后分割。
图16(d)示出了层压的液晶显示器基板的显微图像，其中经V槽处理顶面，并且经细丝形成处理底面。
图17(a)-图17(d)示出了多个示例实施方式，其示出了用于处理控制的成像装置的使用，其中处理成像装置的输出以提供反馈。成像装置的输出提供至处理控制计算装置。
图18(a)-图18(c)示出了具有形成在其中的装置阵列的半导体基板的处理方法，通过处理基板背部，以产生融化标记，并且当从基板上面执行细丝处理时后续利用烧蚀标记作为基准参考点。
图18(d)是根据该方法处理的LED晶片的架空图像，其中采用突发激光脉冲以处理所有层，所述所有层包括金属层(低功率标记)、DBR层、PSS层和蓝宝石以及GaN层。
图18(e)和图18(f)示出了具有完整分切带的后处理基板，并且图18(g)和18(h)示出了在去除分切带之后的处理的基板。
图19示出了在细丝处理和分离之后的玻璃基板的切面边缘的显微图。
图20示出了沿着正交方向的示例基板的后分离表面粗糙度测量。
图21示出了通过后分离的蓝宝石样品获得的表面粗糙度的测量，测量的值为大约200nm RMS那样低。
具体实施方式
将参照以下详细讨论描述本公开的各个实施方式和方面。以下描述和附图是本公开的说明而不被解释为限制本公开。描述多个特定细节以提供对本公开的各个实施方式的彻底理解。然而，在某些情况下，将不描述熟知的或常规的细节，以提供对本公开的实施方式的简明讨论。
如本文所用，术语“包括”构造为包括性和开放性的，而非排他性的。具体地说，当用在说明书和权利要求中时，“包括”及其变型形式意指包括特定特征、步骤或部件。这些术语不被解释为排除存在其它特征、步骤或部件。
如本文所用，术语“示例性”意指“用作示例、例子或说明”，并不应该被解释为优选的或优于本文公开的其它构造。
如本文所用，术语“约”和“大约”意指覆盖可存在于值的范围的上限和下限中的变化，诸如特性、参数和维度的变化。在一个非限制性示例中，术语“约”和“大约”意指加减10％或更少。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语旨在具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。如本文所用，除非另外指明，否则诸如整个上下文，以下术语旨在具有以下含义。
如本文所用，术语“细丝改性区”是指基板中的细丝区域，其特征是光束路径限定的压缩区域。
如本文所用，短语“突发”、“突发模式”或“突发脉冲”是指具有基本小于激光的重复周期的相对短暂间隔的激光脉冲的集合。应该理解，突发内的脉冲之间的短暂间隔可为恒定或可变的，并且突发内的脉冲的振幅可以是可变的，例如，为了在目标材料内产生优化或预定的细丝改性区。在一些实施方式中，脉冲的突发可形成为在构成突发的脉冲的强度或能量方面具有变化。
如本文所用，术语“透明”是指具有吸收光谱和这样厚度的材料：使得入射光束的至少一部分按照线性吸收状况(regime)传输。例如，透明材料可具有入射光束的带宽内的线性吸收光谱、和这样的厚度：使得传输通过所述材料的光的百分比大于10％、大于25％、大于50％、大于75％、大于80％、大于85％、大于90％、大于95％、大于98％或大于99％。
如本文所用，短语“几何焦点”是指在不包括或考虑正被处理的材料内的非线性影响的情况，通过光学聚焦透镜或组件产生的计算或估计的焦点(例如具有根据简单透镜方程确定的束腰位置)下进行所述计算。该短语用于在基于透镜的位置的光学焦点的期望位置与正被处理的材料内生成的光学收缩事件之间进行区分，通过非线性光束再聚焦导致所述光学收缩事件，在效果上，其提供大约长达大约10mm的准瑞利长度。
本公开的实施方式提供了通过激光成丝处理材料的装置、系统和方法。与激光成丝的先前已知的方法不同的是，本公开的一些实施方式利用使入射光束沿着纵向光束轴线以分布方式聚焦的光学构造。该分布式聚焦方法能够在远超到目前为止利用先前已知的方法实现的那些距离的距离上形成细丝，同时保持足够的激光强度，以在细丝区的整个长度上实现材料的实际的、均匀的改性和压缩。这样的细丝(和成丝处理)涉及正被处理的材料内的光的自传播光束，使得热处理之间的平衡造成压缩，同时避免在其它已知烧蚀和其它已知处理方法中产生的光学破坏。例如，如以下进一步描述的，本文公开的分布式聚焦方法支持形成长度远超一毫米(甚至10mm那样长)的细丝，以及保持材料的光学破坏阈以下的能量密度。
激光成丝
已知的是，可利用在材料内聚焦的超快激光脉冲在透明材料中形成激光细丝。例如，如标题为“Method of Material Processing by Laser Filamentation”的专利合作条约申请No.PCT/CA2011/050427教导的，可利用物镜、透明基板内的短持续时间激光脉冲的突发序列通过聚焦形成细丝。激光脉冲的突发产生具有通过激光细丝体积限定的形状的内部微结构化改性。通过在脉冲激光曝光期间相对于激光束移动样品，细丝轨迹的连续的迹线被永久地刻写在玻璃体中，如曲线或直线路径以及随后的样品中的激光限定的那样。
如PCT申请No.PCT/CA2011/050427中提到的，据信，通过高强度和短持续时间的激光脉冲的弱聚焦产生细丝(还称作“等离子体沟道”)，从而脉冲可由于等离子体的形成而通过非线性克尔效应自聚焦。光场的该高时空定位可在长和窄沟道中投入激光能量，同时还与诸如产生白光和形成围绕该定位的辐射的动态环辐射结构的其它复杂非线性传播效应相关联。PCT申请No.PCT/CA2011/050427教导了通过聚焦激光束以使得焦点(例如初始束腰)位于材料内可形成大约几百微米的长度的激光细丝。
与已知细丝形成方法相比，本公开提供了用于在透明材料中形成空间上延伸的和空间上均质的细丝的方法。根据一个实施方式，超快激光脉冲的突发聚焦，使得在目标材料以外形成外部束腰，而不在材料以外形成等离子体沟道，并且在目标材料内发生入射光束的弱分布式聚焦，从而在材料内形成高密度电场并沿着激光的入射路径生成压缩区。该压缩区在从传播轴线的中心均匀和径向延伸的窄帘材料中导致相变(通过蚀刻率实验证明)。
如以下的进一步描述，例如通过聚焦设备的定位、一个或更多个聚焦元件的数值孔径、激光脉冲能量、波长、持续时间和重复率、施加以形成各个细丝轨迹的激光脉冲和突发的数量、以及透明介质的光学和热物理特性容易地控制细丝的长度和位置。总的来说，可操纵这些曝光条件(功率、重复率、转移速度和波阵面分布/有像差以延伸相互作用区的程度)，以产生足够长和强韧的细丝，以在或几乎在处理的材料的全部厚度上延伸。
因此，本文公开的实施方式利用激光脉冲的短持续时间突发(优选地，脉冲持续时间小于约100ps)，以在透明介质内产生细丝。该方法避免诸如通过光学破坏产生等离子体，在如通常在飞秒激光加工中应用和使用的紧密光学聚焦条件下，可容易产生所述光学破坏(例如，Yoshino等人公开的“Micromachining with a High repetitionRate Femtosecond Fiber Laser”(2008)，Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol.3,No.3第157–162页)。
在本文公开的实施方式的弱和分布式聚焦中，据信，非线性克尔效应产生超过常规景深的延伸的激光相互作用聚焦体积，从而克服了从小自聚焦的束腰正常地分散光束的光学衍射。这在通过分布或延伸的聚焦所形成的所谓的细丝区中，在材料中的以光束传播轴线为中心的基本对称、基本圆柱形区域中，材料经受通过光声学压缩导致的相变。
该改性要求针对各个材料的特定特征阈以上的能量密度(通过在非均质复杂堆叠件中存在的材料的最高阈而理想地选择)。可在相对于基板的顶部的法向和非法向入射角发生这种改性，并针对仅通过入射光束中可用的功率限制的距离持续。
此外，据信，在处理过程中，不在材料中发生光学破坏，因为这会产生离散的损坏中心，而非本公开的长的、连续的、均质的细丝改性区。在沿着细丝投入的激光能量导致可以是缺陷、彩色中心、应力、微沟道、微孔和/或微裂纹形式的内部材料改性的同时，实验结果显示出改性在其外观上基本是均匀和对称的，其内表面的物理特征基本为均质的。据信，通过提供沿着细丝的长度具有非常均匀的能量分布的非常高强度的电场来实现这一点。
经由激光束的分布式聚焦来形成延伸的细丝
与在PCT申请No.PCT/CA2011/050427中公开的方法和设备相比，本公开提供了利用光学聚焦构造在透明材料中控制细丝的形成的方法、设备和系统，其中入射光束被导向到材料上，使得在材料以外不形成等离子体沟道的情况下形成外部腰，并使得束能量在材料内的整个区域中以分布方式聚焦。据信，不形成内部束腰的分布式聚焦构造提供了具有更加可控的几何和机械特性的在更长的距离上保持形成激光细丝的条件，如以下进一步的描述。
现在参照图1(a)，示出了在PCT/CA2011/050427中公开的聚焦布置方式，其中采用聚焦透镜100以将超快激光脉冲的突发在材料110内聚焦，以形成细丝120。聚焦透镜100相对于材料110布置为使得透镜100的焦点位于材料110内。入射光束130通过聚焦透镜100聚焦以形成会聚光束140，其在材料110内聚焦，并保持聚焦构造，从而在扩大和散焦之前形成细丝120。如上所述，在形成细丝120的同时，材料110内的光学功率的限制经自相位调制通过自聚焦实现。光束140由于光束功率的损失而扩大到细丝形成区域以外，使得自相位调制不再足以支持自聚焦并且抵制由于热的存在和目标材料中的后续折射率(index)变化导致的散焦。如图1b所示，该方法可导致在长度规模为几百微米的材料110内形成细丝120。
图1(c)示出了通过超快激光脉冲的突发的分布式聚焦在透明材料中产生空间上延伸的细丝的示例实施方式。与其中入射光束130通过聚焦透镜100而聚焦以在材料110内形成良好定义的初始腰的图1(a)所示的构造不同，图1(c)所示的构造采用分布式聚焦元件150来聚焦入射光束160，以使得所得会聚光束165聚焦于初始外部腰175，并且还按照分布方式在材料115内弱聚焦。初始腰的外部形成防止在材料内的过度聚焦和光学破坏，从而避免了诸如光学破坏的有害影响。与其中外部聚焦产生窄外部等离子体沟道的已知方法不同，分布式聚焦构造使得聚焦的光束被导向到材料115上，以使得光学功率在一定范围的位置上延伸，从而在材料115内分布入射激光，这与在材料内紧密和限定好的位置形成腰截然相反。这种分布式聚焦构造能够产生具有控制的几何特性和毫米级长度的细丝170。分布式聚焦元件150可包括一个或更多个透镜，所述一个或更多个透镜形成(例如研磨或模制)为产生呈现为分布式焦点(不一定是均匀的分布式焦点)，其腰位于材料的表面以上或之前，与材料的表面相邻，从而在不存在外部等离子体沟道的情况下在材料表面上提供非常弱的焦斑。在一个实施方式中，腰位于从材料的外表面偏移至少大约10μm的位置。在另一实施方式中，腰位于从材料的外表面偏移至少大约20μm的位置。在另一实施方式中，腰位于从材料的外表面偏移至少50μm的位置。因此，当前实施方式不需要通过改变透镜的聚焦特性在材料内形成初级束腰，提供宽范围的处理选择，以使得例如在间隙空间中的目标材料的层以上、以下或之间形成外部腰。
在不旨在受限于理论情况下，据信本公开的分布式聚焦构造由于来自另外的焦点区域的光束功率的空间上补充而产生更长的细丝。因为窄细丝形成区域内的光学功率在光束传播期间最初大大减少，通过与经非线性处理形成的复杂(非线性)折射率改变的相互作用，通过光束沿着其长度的分布式聚焦提供额外光学功率，使得光束可按照自聚焦方式进一步蔓延，同时在散焦之前形成细丝。如上所述，在一些实施方式中，该方法产生期望的自聚焦和压缩而不实际形成等离子体。
再参照图1(c)，示出的示例实施方式示为聚焦元件150布置为使得会聚光束165的至少一部分在材料115前方(例如图中的位置175)聚焦。具体地说，在示出的示例实施方式中，碰到分布式聚焦元件150的高数值孔径射线在材料115前方聚焦。通过在材料115前方将入射光学功率的一部分聚焦，立即在材料内形成的强度轮廓不会太高或太低，因此允许形成在其整体长度上具有基本均匀的横截面的细丝。
如上所述，在材料之上或之前而非之下生成束腰的优点在于，期望避免超过材料的光学破坏阈。还能够通过相对于处理设置和样品构造给予用户更多选择形成更大的处理窗。
图1(d)示出了可选的示例实施方式，其中分布式聚焦元件150布置为使得会聚光束180的一部分在材料115后方的用于形成细丝190的位置185聚焦。
现在参照图1(e)，示出了其中分布式聚焦元件150布置为使得会聚光束200的一部分在材料115前方(例如位置205)聚焦，并且会聚光束200的另一部分在材料115后方(例如位置210)聚焦以形成细丝220的另一示例实施方式。在该构造中，束能量可沿着更大的长度分布，并沿着通过目标的路径仍然保持足够的能量，以从通过激光形成的电场导致的热效应中生成声学压缩。可采用该实施方式以能够在形成细丝中具有更高的控制度和更高的深度。如图所示，该实施方式可用于通过厚度为几毫米至几十毫米的透明基板在整个材料中形成细丝基板。
本文公开的方法中采用的分布式聚焦构造的优点可如下理解。如果入射光束在材料内聚焦到腰，则细丝的前进在短距离之后停止，如先前已知的方法中那样。然而，如果入射功率在材料以外聚焦，则形成光学贮器，并且允许材料在其经受热所引起的折射率(尤其是复杂折射率)的变化时用作最终透镜，随后细丝可形成有基本均质的横截面轮廓，并且在几毫米的长度上空间延伸，如图1(f)所示，这论证了在碱石灰玻璃中形成长度超过1mm的均质细丝。图1(f)还示出了通过改变光束焦点的轴向位置控制细丝的相对竖直定位(各个细丝对应于25微米的偏移)。这种处理可产生基本没有>10μm的碎屑的高质量边缘。
图1(g)是根据隐形分切方法处理和分割的玻璃基板的显微图像。细丝阵列还沿着垂直于隐形分切线的方向形成(示出的样品还未根据细丝阵列线分割)。如图所示，隐形分切线20示出了光学破坏的指示标识，所述光学破坏产生了非常平滑的顶边缘，但非常粗糙的整体表面。据发现，通过沿着隐形分切线分割获得的面对的边缘的粗糙度沿着竖直方向为53微米而沿着水平方向为85微米。相反，细丝10示出延伸穿过基板的连续的材料改性，从而有利于导致更光滑的切面的分割。如下所述，沿着细丝阵列线的样品的分割可针对玻璃材料产生大约1至10微米的表面粗糙度值。
如以下进一步详细的描述，根据本文公开的方法形成的细丝可形成有比先前报告的细丝长得多的长度。此外，可采用当前方法以产生连续的、沿径向对称和在维度上均匀的细丝。在透明材料内形成延伸的细丝的关键考虑是供应以下处理的必要影响，同时避免材料的光学破坏阈。已发现，细丝长度影响供应至材料的总能量和材料线性吸收。
例如，实验研究表明可利用以下条件在硼硅酸盐玻璃中形成6mm长的细丝：大约50W的平均功率；1064nm的波长；小于大约50皮秒的脉宽；突发轮廓为大约15脉冲，脉冲轮廓在振幅上减小、在振幅上增大和/或在振幅上不变；并且斑径为大约10μm。
通过选择几何焦点或束腰的位置(如通过透镜组或聚焦组件的几何形状所预计的)可以控制细丝的终止和开始的位置，如。下面也解释的功率和大小之间的平衡提供避免在材料内形成束腰的能力。
图2(a)和图2(b)示出了可通过控制束腰所在的位置实现灵活性。图2(a)描绘了几毫米至几十毫米(未按比例；发明人制造了长达10mm的细丝)规模的长细丝区250。示出了光束穿过多层而不损坏所述多层的能力。还指示了临界直径范围260(其可例如针对各种材料、聚焦条件和激光功率相应地改变)，其定义为激光光斑直径的范围，在该范围以上不形成细丝，在该范围以下出现光学损坏。在一个示例实施方式中，据发现，碱石灰玻璃的临界直径范围在8μm左右。还提出临界比率，其等于入射激光光斑在材料上的直径与细丝的直径的比率。例如，在一个示例范围内，临界比率可在大约0.01到1000之间变化；在另一示例范围内，临界比率可在大约0.01到10之间变化，在另一示例范围内，临界比率可在大约10到50之间变化，在另一示例范围内，临界比率可在大约50到500之间变化，并且在另一示例范围内，临界比率可在大约1到1000之间变化。
如图2(b)所示，通过最终透镜275聚焦的入射光束270可穿过细丝区的期望目标位置以上的一个或更多个基本透明层272，而不形成焦点或任何细丝，外部腰290形成在最终层276以外。作为在沿着穿过目标堆叠件的入射路径一直到那个位置为止未实现的临界影响的结果，细丝280随后形成在期望的一层或多层(274、276)内。
为了控制入射光束的影响，通过改变光束直径的大小，在材料的表面在光束直径内含有的功率可变化，实际上可编程。具体地说，发明人已发现材料、临界影响和细丝形成效率之间的关系。
在一个示例实现中，可通过改变第一入射影响(对第一入射表面的影响)和在各个子脉冲中含有的能量控制细丝的特性。应该理解，在涉及激光入射其上的多个表面的实施方式中(以下进一步描述)，各个表面将具有其自身的影响，并且由于吸收和散射导致各个影响将取决于第一入射影响。
已发现，大约100μm的入射斑径导致直径为2.5μm并且长度为几mm的细丝。可通过改变脉冲能量和斑径比率控制细丝的一些特性。不同的材料朝着延伸的细丝形成具有不同的属性。
为了使细丝生成连续和基本均匀的沟道，能量强度必须也使得一旦投入，以突发脉冲频率比率更新的突发脉冲产生的强度就能够形成必要强度的冲击波，以径向压缩材料。一旦发生该相变(或者在特定材料中，简单的密度改变)，细丝区就立即、在一些可编程延迟之后、或者经后续分割步骤的应用用作分割平面。可通过生成各种光束能量的细丝，观察或测量细丝深度，并且选择产生合适长度的细丝的束能量，来针对给定材料凭经验确定合适的能量。在一个非限制性示例实施方式中，入射光束的能量(突发中的所有脉冲的能量)可在大约10μJ到大约2000μJ之间。
应该理解，宽范围的激光束参数可改变以获得具有不同特性和属性的细丝。此外，适于形成具有给定的一组属性的细丝的光束参数将在不同的材料中改变。本公开提供了可在一些选择的材料中被采用以形成细丝的光束参数的一些示例范围。所述示例范围不旨在限制，应该理解，其它范围可适于在示例材料中或在其它材料中形成具有其它属性的细丝。
应该理解，突发重复率以及材料相对于入射光束的转移速度限定了相邻细丝之间的间隔。在一个非限制性示例中，该范围可从大约1kHz至大约2MHz。
如图1(c)至图1(e)所示，入射光束聚焦以使得聚焦体积分布在样品中的延伸的区域上。分布的聚焦体积可比从具有相似或等同的数值孔径的非分布式聚焦元件获得的瑞利范围足够长。例如，分布式聚焦下的焦点区域可为在不用分布式聚焦获得的对应的瑞利范围的20％、30％、50％、100％、200％、500％、1000％或更大。
分布的聚焦体积可足够长，以使得在分布式聚焦条件下通过光束形成的细丝明显长于从具有相似或等同的数值孔径的非分布式聚焦元件形成的细丝。例如，在分布式聚焦下形成的细丝可为在不用分布式聚焦形成的对应的细丝的20％、30％、50％、100％、200％、500％、1000％或更大。
应该理解，分布式聚焦组件可包括诸如包括两个或更多个光学部件的光学列的一个或更多个光学部件/元件。在一个实施方式中，分布式聚焦组件被构造为在一个横向维度上按照非分布方式聚焦光束，以及按照分布方式在其它横向维度上聚焦光束。
利用合适的光束聚焦、操纵焦距或光束膨胀比率，例如，激光细丝可终止和导致激光束以高分散角离开玻璃底面，从而避免在透明板的底面的激光加工或损坏。还可在多片材堆叠件的中间生成细丝，而不导致位于目标片材以上和以下的片材的损坏，但同时损坏目标片材的顶面和底面，如以下进一步描述。
在一些实施方式中，通过优化每个光学元件上孔径的填充的负透镜和正透镜的组合可生成长的细丝长度，从而在光学列中保持高的功率效率，并保持激光强度，以径向压缩目标材料，如先前描述的。
示例分布式聚焦元件：有像差元件
在一些实施方式中，分布式聚焦组件可包括被构造为在聚焦的光束中导致有像差的一个或更多个光学部件，以使得聚焦的光束以分布方式在纵向聚焦体积上聚焦，而不在材料内形成腰。
一个或更多个光学部件可包括球面像差。在一些实施方式中，分布式聚焦组件可包括一个或更多个有像差光学部件，以及一个或更多个基本无像差光学部件。在一些实施方式中，通过分布式聚焦组件在一个维度上导致像差。在其它实施方式中，通过分布式聚焦组件在两个维度上导致像差。
通过使用有像差光学组件(一个或更多个有像差光学元件)可生成长细丝，使得即使由于通过目标本身导致畸变和沿着入射轴线生成的电场加热而导致在材料内未形成束腰，也可实现一长串的准焦点。在目标材料之前和/或之后生成直径>1μm的大斑以及生成至少一个外部束腰(“贮器区域”)(如图1(c)-图1(e)示出的)，从而能够将能量“倾泻”到目标材料或层以外的焦斑中，其中束腰形成在空中，而在空中不形成等离子体沟道，并且没有完成烧蚀工作。
当前实施方式在材料以外提供具有不均匀的能量分布的光束路径，同时还形成目标材料中含有的均匀光束路径，所述目标材料沿其长度产生不含束腰的细丝。
利用一个或更多个有像差元件，可选择按照为在材料内避免束腰事件这种方式分布能量，并且还产生均匀细丝并将额外能量“倾泻(dumping)”到一个、两个或更多个外部腰区域中，而不形成外部等离子体沟道，以保持期望的影响，从而促进细丝形成、长的均匀的改性和避免光学破坏。换句话说，可采用一个或更多个有像差元件的强焦点以用作外部光束倾泻，并且可采用其余射线以在材料内生成强突发脉冲细丝。
可在波中测量光学聚焦部件、组件或系统的像差(或其关于正被使用的光的波长的部分)。例如，可根据未到达通过理想透镜限定的相同空间点(或体积)的波的比率与到达相同点的波的比率来指定像差。在一些非限制性示例实施方式中，光学聚焦组件中的像差可大于大约0.1％像差并小于大约80％像差。
像差的实质可为可变的，第一入射表面的能量密度保持高于形成细丝所需的能量密度并低于目标材料的光学破坏阈。在一个特定的示例中，光学元件可形成为使得两个初级焦距形式通过与目标材料或层的厚度相对应的距离而分离(例如见图1(e))。
用于提供有像差光学构造的一个示例方法是采用至少两个元件的光学布置，其中一个光学部件是正常场校正扫描透镜，而第二光学部件是设计为传递如上所述聚焦的光的校正窗。图3示出了采用用于光束延迟和准直的第一透镜L1和第二透镜L2、扫描机构300和最终聚焦透镜305的这种示例透镜布置方式。最终聚焦透镜305可为远心透镜。非球面板310设置在最终透镜305下方(但是其可另选地位于扫描机构300之前)，以产生有像差的聚焦光束，以使得光束的一部分在材料315的前方形成初始腰。可基于目标基板的厚度和细丝区的期望长度确定部件之间的分离。在一些示例实施方式中，可通过控制采用的聚焦透镜的透镜焦距的比率来控制或规定细丝属性。例如，在一些示例实现中，L1/L2的焦距比率可为-300至+300。
图4示出了另选示例实施方式，其采用不带非球面板的专用扫描透镜320(远心的或非远心的)。专用扫描透镜320被构造为导致有像差聚焦的光束，如上所述。
突发脉冲特征
本发明的发明人发现，在分布式聚焦构造中使用突发脉冲支持长细丝(诸如，但不限于，长度>总目标材料厚度的15％，例如，在玻璃应用中，长度>100μm并高达>10mm，的细丝)的形成，该细丝具有均质的特性(例如，在其基本整个长度具有基本相等的直径，以及横穿材料厚度的细丝的材料的入口面和出口面具有基本相等直径的细丝)。脉冲的突发的分布式聚焦还支持在沿着细丝阵列分割之后形成平滑表面。例如，采用本文公开的光束和聚焦条件以提供切面表面粗糙度度(RMS)小于大约10μm，并且有时为200nm那样小或更小的分段的样品。这种细丝可在易碎材料中形成。
图5(a)-图5(e)示出了多个实施方式，所述多个实施方式示出可突发脉冲350的短暂本性(temporal nature)和激光源的控制程度可提供脉冲的时序和序列。图5(a)和图5(b)示出了在突发重复率360和脉冲间短暂间隔375上的可选控制。例如，通过操纵EO开关定时可控制脉冲之间的时序，以生成各种多个主要振荡器信号，从而产生可变脉冲时序。图5(b)是示出可在其上传送脉冲的可变程度的示例示出，以及激光头370内产生的脉冲的示意图。应该理解，在一些实施方式中，可沿着例如包括光学开关或电光开关的光学列调制脉冲，以开发用户可选择的脉冲(和/或脉冲包络)轮廓(上升或下降或相等)，从而改变脉冲(和/或脉冲包络)中的能量的幅度，并且确定在用户可选择脉冲的总数的情况下在较小的突发脉冲当中进行何种程度的划分。
如图5(c)所示，用户/操作员可操纵脉冲轮廓380以基于配备有这种激光器和关联的光学器件的系统中产生的部件的理想的材料属性控制所述处理。
图5(d)示出了基于突发中的集成功率控制传送至材料的净能量的能力。图5(e)示出了控制给定突发390中的脉冲的数量的能力。在一个示例实施方式中，激光脉冲的突发以在激光脉冲被划分成的2和20个子脉冲之间含有的脉冲序列被传送至材料表面。该划分可根据多个已知方法之一在激光头中生成。
应该理解，可采用图5(a)-图5(e)所示的脉冲参数的任何一个或更多个来控制在处理的材料中的细丝的形成。
材料
可采用本文公开的成丝方法，以处理对入射激光束透明的宽范围的材料，所述材料包括玻璃、晶体、选择的陶瓷、聚合物、液体包封装置、多层材料或装置、以及复合材料的集合。根据本文公开的方法处理的基板可包括玻璃、半导体、透明陶瓷、聚合物、透明导体、宽带隙玻璃、晶体、晶状石英、金刚石和蓝宝石、稀土制剂、用于显示器的金属氧化物和抛光或未抛光条件的带有或不带有覆层的非晶氧化物。
还应该理解，入射激光束的光谱范围不限于可见光谱，而是还可存在于真空紫外线、紫外线、可见光、近红外光谱或红外光谱。例如，硅对于1500nm的光是透明的，但对于可见光是不透明的。因此，可通过在该1500nm波长产生的短脉冲激光直接(例如经掺杂铒的玻璃激光)或通过晶体或其它非线性介质中的非线性混合(例如经光学参数放大)在例如硅中形成激光细丝。可针对具有宽阵列的易碎材料(诸如Si、SiCGaAs、GaN以及其它复合物和复杂复合物半导体(例如，II-VI和类似带隙工程材料)以及诸如ITO、IPS、IGZO等的显示相关的复合物)用1200–3000nm范围的光来期望合适的性能。
脉冲能量和功率
为了形成细丝和保持自聚焦，脉冲能量选择为存在于非线性状况中，从而突发产生的细丝形成是可能的。根据一个非限制性示例，已发现，针对处理碱石灰玻璃，大约10μJ到2mJ之间的脉冲能量适于实现需要到达可保持自聚焦发生的状态的电场强度。在一些示例实现中，激光的平均功率可存在于大约3W到150W(或更多)内，但是应该理解，细丝形成所需的平均功率将取决于例如脉冲能量、每突发的脉冲数量和重复率。
在一个示例实施方式中，就通过脉冲拾取振荡器限定的脉冲重复频率而言，脉冲重复率可在10kHz到8MHz之间的范围内。这些可后续向下选择到较少能量的突发中，并被传送至子脉冲间隔等于1fs或更大(多达1毫秒)的材料。在一些示例实施方式中，激光具有小于大约5的光束质量M2。例如，在光学部件被构造为沿着轴线生成不止一个焦点的实施方式中，可采用大约为1的M2，同时较不严格的M2实施方式被容忍到下游光学元件补偿光束的自然形状的程度。在将在材料的整个厚度中形成细丝的一些示例实施方式中，应该用超过预选择的阈(例如，至少大约50％)的发送器功率以沿着光束路径提供足够的发光强度使激光束穿过所述材料(包括任何中间间隙的异质和相异材料)传输，。
准直、焦距、通光孔径
在一些实施方式中，系统的光学列包括用于在聚焦之前准直光束的一个或更多个光学部件，以在在分布式聚焦元件与激光源之间容纳可变路径长度。在一些示例实施方式中，准直部件的数值孔径在大约0.1NA到0.88NA之间，有效焦距在大约4.5mm到2.0m之间。在一些示例实施方式中，通光孔径的直径可在大约2mm到10mm之间。
再生式放大器的使用
在一个实施方式中，采用再生式放大器以提供柔性设备，由于再生式放大器可容易被再构造为改变用于细丝形成的突发序列特征。例如，再生式放大器可针对后续曝光步骤被再构造，以在第一激光曝光之后的不完全分离的材料的情况下分离(基于另一热源或冷源，以提供热梯度)。这种激光系统可在可变或恒定脉冲时序下产生对特定应用容忍的全部或部分长度细丝，并且自动聚焦与光束定时和速度协调，以使得所述部分的速度在整个处理中不变—在效果上保持相邻细丝区之间的间隔恒定。与利用常规激光切割处理获得的10-100μm相比，这继而使得能够进行在激光处理中当前(即，紧随在切割之后大约1-3μm)可用的最低切面粗糙度的分离。可通过预扫描所述部分实现自动聚焦，从而在原处(例如，光学地)感测头高度或利用机器视觉系统确定位置。
就在出射脉冲之前采取多少次往返操作而言，再生式放大器设计使得能够进行精确定时控制。可通过台面速度操纵脉冲-脉冲或突发-突发定时，以根据特定应用提供非常精细的调谐的切面边缘(例如粗糙度)。具体地说，激光系统尤其很好地适用于复杂形状的玻璃部件，或者存在复杂样条的母玻璃片材。在一个示例实施方式中，罗芬MPS平台可被容易修改以包括以上实施方式。
细丝形成机理
用于形成细丝的当前方法因此支持迄今为止不可行的用于透明材料的新的材料处理应用。虽然先前对固态材料中的细丝形成已经有研究，但是本公开借助于突发模式定时和分布式聚焦表现了针对其中产生极长细丝的实践的第一减小。
诸如在Stealth Dicinig(隐形分切)和Accuscribe系统中采用的那些的已知激光处理方法通过改性驱动，所述改性诸如Yoshino等人采用的那些["Micromachining witha High repetition Rate Femtosecond Fiber Laser"(2008),Journal of LaserMicro/Nanoengineering Vol.3,No.3第157–162页]，所述方法是初始通过有光学破坏控制的处理，其中材料去除的主要模式是经由小爆炸生成可变横向维度和有限纵向维度的空隙的烧蚀。光学破坏是在通过待分离的材料生成的几何焦点周围形成局部和密集等离子体的透明介质内紧密聚焦激光束的结果。等离子体产生机理基于电子的初始多光子激发；然后通过逆轫致辐射(Bremsstrahlung)、碰撞电离和电子雪崩处理。Columbic爆炸是造成生成局部空隙和文献中描述的其它改性的原因。这种处理和系统强调上述折射率和间隙形成处理[US6154593；SPIE Proceedings 6881-46]，并形成用于材料处理的最短脉冲激光应用的基础。在该光学破坏域中，透明材料的分离、分切、划线、分割、切割和切面处理具有以下缺点，诸如处理速度慢、产生裂纹、低强度部件、通过烧蚀碎屑的污染和大切口宽度——所有这些需要进一步处理，以完成部件至组件的旅程，成为诸如计算机、平板或电话这样的手持电子装置。
相比之下，本文公开的激光成丝处理和系统克服了用于透明材料的内部激光处理的先前已知的方法的缺点，并可避免烧蚀或表面损坏(如果要求)，针对这种划线应用，极大地减小了切口宽度和速度处理时间，并避免裂纹产生。此外，配有再生式放大器和快速电光开关的高重复率激光器允许在材料的最小热积聚和比聚焦体积以外的热扩散快得多(通常<10微秒)的时间标度上的其它短暂响应的情况下改进激光束细丝的形成。根据本公开的方法产生的聚焦体积可通过光束路径中的光学部件操纵，以延伸计算的焦深(DOF)的许多倍。
如下面的示例中示出的，利用皮秒脉冲突发，本发明的发明人论证了当脉冲按照分布方式聚焦时，其根据激光脉冲的影响，并根据选择的处理条件，保持大约20μm至大约10mm范围内的轴向距离。在其中基本无烧蚀处理是去除或压缩多数材料的原因的材料中，这使得针对基本无渐缩的钻孔能够密集、局部地声压形成是有用的。
在不旨在受限于理论的情况下，据信通过可通过非线性克尔效应自聚焦的弱聚焦、高强度短持续时间激光来产生细丝，因此形成所谓的细丝。光场的该高时空定位可在长而窄的沟道中投入激光能量，同时还与诸如白光产生和围绕该局部辐射形成动态环辐射结构这样的其它复杂非线性传播效应相关联。
通过快速激光脉冲加热暂时地降低了光束路径中心的折射率，从而导致光束散焦和破坏细丝。克尔效应自聚焦与折射率转移调制的散焦之间的动态平衡可导致多个再聚焦激光相互作用细丝通过，以形成稳定的细丝。
与细丝改性的已知方法不同，本文公开的实施方式支持在基板内的宽范围深度上可延伸的连续的细丝的形成。例如，在一些实施方式中，细丝被产生为使得它们沿着它们的纵轴实质上为基本连续的。这可与以下已知的细丝处理方法相对：所述已知的细丝处理方法用不足的辐射强度(激光能量密度或功率)产生断开的、不显眼的损坏中心，以影响材料中的任何改变。因此，下面描述的实施方式包括用于沿着处理光束的路径形成光声压缩的连续区的方法，使得与未暴露于该现象的区域相比基板的材料特性不同。在一些实施方式中，通过径向均匀压缩基板内的材料，在基板中形成连续的过孔基板。
在最简单的水平上，据信，成丝处理主要取决于两个竞争处理。首先，由于非线性光学克尔效应导致激光脉冲的空间强度轮廓像聚焦透镜那样起作用。这导致光束自聚焦，从而导致峰强度的增大。随着直径减小直至达到稳定的光束直径为止，该效果通过增强衍射被限制并平衡，其可蔓延比根据从该斑径的共焦光束参数(或焦深)的简单计算所预期的距离长许多倍的距离。其它关键区别特征是通过该技术实现的极其小的细丝尺寸。
该细丝形成状况是新的，如本文描述的实验已示出长度远超过那些利用现有细丝形成方法获得的细丝的长度的细丝。例如，根据本公开的选择的实施方式，其中材料被压缩的径向压缩的细丝揭示了可在合适的透明介质中形成通过材料的整个厚度延伸的圆柱形间隙——其长度为10mm或更长。在不旨在受限于理论的情况下，该机理显示出涉及在材料中经沿着光束传播轴线居中的激光的紧密间隔的连续脉冲(突发脉冲现象)通过快速加热生成的冲击波压缩。假设细丝形成光束具有足够的强度，其能够通过基本较低的折射率(真实并复杂)穿过空气间隙和材料的间隙，并且当进入其它透明层时形成细丝。白光产生和x射线发射确认了高非线性处理在起作用。Gurovich和Fel[ArXiv 1106.5980v1]的关于相关现象的著作，观察到在介质中在存在离子和电子碰撞的情况下形成冲击波的形成。
细丝形成处理的光声本质的进一步线索在通过Paul等人[Proceedings SPIE vol.6107,610709-1(2006)]进行的深烧蚀钻孔研究中，其中它们的测量方法涉及通过利用多激光脉冲的间隙形成所产生的光声信号。当前研究涉及突发的分布式聚焦，表现为产生甚至更强的光声信号，同时避免与其它技术共同的等离子体形成和材料烧蚀。此外，虽然温和热入口和出口形成在目标材料的初始和最终表面，但是细丝的内表面显示出基本不受与烧蚀微加工相关联的任何干扰。
还应该注意，与利用等离子体辅助的激光烧蚀的固态加工相关联的极端压力由Kudryashov等人[Appl.Phys.Lett.98,254102(2011)]报告。在他们的工作中，他们报告了具有对应的110Gpa压强的等离子体温度90eV。在该水平，具有足够的能量设置材料内的压缩波。本方法利用非常靠近的突发间隔，并具有在更短时间段内生成甚至更热的光束轴线中心的优点，其中热冲击波超过任何潜在的热影响，从而提供比任何热影响区(HAZ)或熔融的形成更快的压缩改性的包围。根据当前方法发生的辐射性处理的检查示出了不仅观察到轫致辐射，而且也观察到超声瞬变。由于几何焦点位置的光学调整和改变，材料中的该光声改性的程度和“终止-开始”特性可被控制——即使具有间隙的多层包括目标材料。这样产生的边缘的特征基本上区别于使用较慢烧蚀处理产生的那些，所述较慢烧蚀处理不取决于暴露的材料的物理和化学属性的均匀改性。
分离
在一些实施方式中，针对分离透明材料采用前述细丝形成方法和设备。在前述成丝处理中生成的激光导致的折射率变化可被采用以产生用于在正被分离的材料中基本或有效地无重量损失地分离部件的细丝阵列。
在一个示例实施方式中，分离方法可包括用具有分布式焦点的激光束的脉冲的一个或更多个突发的装载、对齐、绘制(mapping)和照射基板，其中该基板对激光束基本透明，并且其中一个或更多个脉冲具有产生细丝所选择的能量和脉冲持续时间。
通过将材料基板相对于聚焦的激光束平移以照射基板来形成细丝阵列，并在一个或更多个附加位置产生附加细丝。因此，细丝阵列定义了用于分割基板的内部划线的路径。这些阵列可存在于平移线周围的一个或更多个维度中，并可按照直线或弯曲轮廓形成，其中示例弯曲的轮廓395示于图6中。细丝可形成为使得它们在目标材料的相当一部分(例如，大于目标材料的大约15％，并且通常大于50μm，或者在一些情况下，大于1mm或甚至10mm)上延伸。
在一些实施方式中，本文公开的方法涉及聚焦的激光束的横向平移以形成紧密布置的细丝导致的改性轨迹的阵列。该细丝阵列定义了透明介质内的改性的伪连续帘(curtain)，而在顶面或底面不产生激光烧蚀损坏(除非特别期望)。当仅施加非常轻微的压力(力)或者可在内部应力下自然分割时，该帘提供了高度易受分割影响的经照射的材料。分割的切面可没有烧蚀碎屑，示出小微裂纹或无微裂纹和微孔，并且精确跟随通过激光在内部标记的柔性曲线或直线路径，同时仅具有如自聚焦束腰限定的非常小的切口宽度。
在一些实施方式中，针对选择的材料和处理条件，一旦在透明基板中形成细丝阵列，就可能仅需要小的机械压力来在通过内部激光成丝帘精确限定的表面形状上将基板分割成两部分。在特定材料和尤其在化学增强的玻璃中，分离事件可为自发的，不需要进一步的步骤以影响分离。
用户可选择的处理条件可被选择以将曝光与分离之间的时间间隔从0秒(在曝光时立即分离)改变为无限大数量的秒(需要一些类型的后续步骤以完成分离处理)。
在一些实施方式中，可采用多角切割(例如利用3个顺序切割)以产生正被分离的材料的倒角的或切面边缘，从而极大减小生产时间和成本。在一个示例实施方式中，这可作为X道处理执行，其中X表示有角度的侧面或边缘的数量。
在一些实施方式中，可利用以下中的一个或更多个来分割基板：附加激光处理步骤、物理加热、冷却和/或机械装置。已发现，当根据前述细丝产生方法形成细丝阵列时，相对于已知方法，分割步骤需要小得多的施加力并产生优秀边缘质量。根据材料的本质，划线和分离(分离)的处理可在不再需要进一步暴露于任何力或热机械张力的单个步骤中发生。
在一些实施方式中，细丝阵列可形成为使得细丝触碰(例如彼此相切；例如关于光束中心或入射轴线成圆形分布的细丝)或分离用户可选择的距离，用户可选择的距离是可变的。在一些实施方式中，形成阵列的细丝之间的距离是恒定的。在其它示例中，材料的特性可以为针对沿着待去除或切割的形状的周边形成有可变间隔的细丝阵列获得改进的分离。因此，将通常用于有效分割的合适的细丝间隔将通常通过材料的特性和应用的需要(包括分离部分的物理/电特性)来确定。除了改变诸如脉冲宽度、突发内的脉冲-脉冲分离、突发重复率、波长和脉冲能量的光束参数以外，可通过利用偏振旋转元件(诸如波板)以及将旋转程度从约1度至约80度的改变来改变偏振状态，并且在处理过程中期望的最终结果要求的从随机至直线至圆形或二者的一些混合。观察到，利用该技术和其它能够调制边缘质量并因此调制分离后边缘强度。
如上所述，激光源可以包括突发脉冲激光(例如，利用再生式放大器的脉冲激光)，但是可以采用其它突发脉冲系统。例如，在一个实施方式中，可采用配备有无论内部或外部安装的快速电光开关的多道放大器，以经由计算机控制的操纵(和可选的聚焦机构和偏振控制)将光束传送至基板，并且基板可沿着曝光路径以恒定速度相对于聚焦的激光束平移。在一些实施方式中，当形成细丝阵列的弯曲部分时，诸如当在角部形成细丝阵列时，切向速度可为恒定的，从而这样产生的细丝阵列在其空间照射、剂量和时间特性中是恒定的。在其它实施方式中，可采用计算机控制以将光束相对于固定基板平移。在其它实施方式中，可采用计算机控制以控制光束和基板二者的运动。
例如，形成细丝阵列所采用的平移速率可根据支承基板的简单线性台面的速度来确定，或者可在根据期望的处理基于远心的或非远心的最终物体的扫描系统的情况下，根据台面速度和光束速度的组合来确定。
可根据例如因此分离的材料的期望特性(物理、光学、电学、化学、热等)来选择平移速度以产生微米级的用户可选择细丝间隔。因此，通过实时地改变一个或更多个处理参数，可形成局部控制或定制的属性的细丝阵列——即这样的细丝阵列，其中细丝的属性在材料的不同区域中空间地改变，从而空间地改变材料本身的属性。利用先前已知的激光分离方法和系统不可实现激光处理的该方面。实际上，针对宽范围的应用，可采用当前的形成具有局部控制的属性的阵列的方法。可根据当前成丝处理局部控制的示例属性的非限制性列表包括：电性能、光输出和后分离断裂强度。
采用以形成细丝阵列的激光脉冲的光束的属性可根据预选择的和计算机控制的处理参数而改变，以在基板内提供足够的光束强度，以使得激光束自聚焦。例如，可控制激光束以使得在待处理的材料内沿光束轴线在所有点形成细丝。换句话说，光束特性可被控制以超过特定特性能量水平，以在基板内产生声压缩，因此使得其(它们)根据目标材料的本质被分离或者准备被分离。
在一些实施方式中，通过关于它们的纵向轴线(通常激光束的入射轴线)基本对称的细丝来形成细丝阵列。细丝的长度可以通过改变诸如作为受控机器参数的功率、聚焦特征和光束形状这样的处理参数是可控制的(例如，从大约10μm至超过10mm)。改变这些参数可导致与材料中产生的光声改性相关联的特性的改变。
本公开的方法中采用的啁啾脉冲和突发脉冲之间在如下方面存在的重要区别：在它们如何产生方面以及在各自的能量特性方面这两者，其中突发加工方法表现出大得多的处理柔性，尤其当与扫描器和合适的聚焦光学器件结合以在限定的场大小上提供远心行为时。
在一个实施方式中，提供了细丝形成光束的实时自动聚焦的系统。例如，在一些实施方式中，光束可以利用检流计和/或声学光学偏转器以高速率运动，以完全在计算机控制下按照协调方式操纵光束。
图7(a)示出了用于形成细丝阵列的激光处理系统的示例构造，所述激光处理系统包括供应优选地脉冲宽度小于100皮秒的一序列突发模式脉冲的超快激光500，所述超快激光500配备有合适的光束掌控光学元件的集合，使得一个或多个光束可传送至多轴线旋转和平移台面，该台面包括：XY平面(θ，θ)中的旋转台面、3DXYZ平移台面以及以协调控制架构中用于相对于X轴线(γ，γ)倾斜光束或一部分的轴线。在示出的示例实施方式中，通过调节光学元件502(例如正或负透镜，或者能够传送可被进一步调节或操纵的弱焦斑的透镜的组合)光束采样镜504、功率表506、X-Y扫描器505、最终聚焦透镜520和用于定位工件522的伺服控制台面510，来操纵光束。采用下面进一步详细描述的控制和处理单元550以控制本文公开的实施方式的激光成丝和/或分离设备。可利用保持恒定的工作距离的自动聚焦构造(例如利用位置感测装置)控制细丝位置和深度(如图1(f)所示)。
图7(b)提供了控制和处理单元550的示例实现，所述控制和处理单元550包括：一个或更多个处理器552(例如，CPU/微处理器)、总线554、可包括随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)的存储器556、一个或更多个可选内部存储装置558(例如硬盘驱动器、紧凑盘驱动器或内部闪速存储器)、电源560、多于一个的可选通信接口562、可选的外部存储器564、可选的显示器566以及各种可选输入/输出装置和/或接口568(例如，接收器、发送器、扬声器、诸如在数字静物相机或数字视频摄像机中使用的那些的成像传感器、输出端口、用户输入装置(诸如键盘、键区、鼠标、位置轨迹笔、位置轨迹探针、脚踏开关和/或用于捕获语音命令的麦克风))。控制和处理单元550与如下各项中的一个或更多个交互：激光系统500、激光扫描/定位系统505、处理的材料的定位系统510、和一个或更多个度量装置或系统511(诸如一个或更多个度量传感器)或成像装置。
虽然图7(b)中示出了各个部件只有一个，但是任何数量的各个部件可被包括在控制和处理单元550中。例如，计算机通常含有多个不同数据存储介质。此外，虽然总线554示为所有部件之间的单根连接，但是应该理解，总线554可表示连接两个或更多个部件的一个或更多个电路、装置或通信信道。例如，在个人计算机中，总线554通常包括母板或者是母板。
在一个实施方式中，控制和处理单元550可为或包括通用计算机或任何其它硬件等同物。控制和处理单元550也可实现为通过一个或更多个通信信道或接口连接至处理器552的一个或更多个物理装置。例如，控制和处理单元550可利用专用集成电路(ASIC)实现。另选地，控制和处理单元550可实现为硬件与软件的组合，其中软件从存储器或经网络连接加载在处理器中。
可用一组指令编程控制和处理单元550，所述指令当在处理器中执行时使得系统执行本公开中描述的一个或更多个方法。控制和处理单元550可包括多个比示出的那些更多或更少的部件。
虽然已经在完全功能计算机和计算机系统的上下文中描述了一些实施方式，但是本领域技术人员应该理解，各个实施方式能够作为程序产品按照多个形式分布，并且能够被应用，而不管用于实际影响分布的机器或计算机可读介质的具体类型如何。
计算机可读介质可用于存储当通过数据处理系统执行时使得所述系统执行各种方法的软件和数据。可执行软件和数据可存储在包括例如ROM、易失性RAM、非易失性存储器和/或缓存的各个位置。该软件和/或数据的部分可存储在这些存储装置中的任一个中。通常，机器可读介质包括提供(即，存储和/或传输)机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一组一个或更多个处理器的任何装置等)可访问的信息的任何机构。
除了别的以外，计算机可读介质的示例包括但不限于可记录和不可记录类型的介质，诸如易失性和非易失性存储器装置、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪速存储器装置、软盘和其它可动盘、磁盘存储介质、光学存储介质(例如，紧凑盘(CD)、数字多用盘(DVD)等)。指令可按照用于电、光、声或其它形式的蔓延信号的数字和模拟通信链路实现，所述其它形式的蔓延信号诸如载波、红外信号、数字信号等。
可至少部分地在软件中实现本公开的一些方面。也就是说，响应于其诸如微处理器的处理器，可在计算机系统或其它数据处理系统中执行技术，从而执行容纳在存储器(诸如ROM、易失性RAM、非易失性存储器、缓存、磁性和光盘或远程存储装置)中的指令序列。此外，该指令可经编译和链接版本的数据网络下载至计算装置中。另选地，上面讨论的执行处理的逻辑可在额外计算机和/或机器可读介质中实施，诸如作为大规模集成电路(LSI)、专用集成电路(ASIC)或诸如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和现场可编程门阵列(FPGA)的固件的离散硬件部件。
图8(a)和图8(b)示出了显示利用图8(a)非远心的600和图8(b)远心的602透镜经台面605的控制以控制多轴线的能力的示例实施方式。在非远心的透镜600的情况下，可通过在非场校正透镜中存在的自然畸变生成有角度的细丝路径。可执行绕X(γ)轴线的旋转以利用正常入射光在工件610内提供有角度的细丝改性区(612、614)。应该理解，其它光学构造是可行的。
图8(c)示出了其中支承正被处理的材料的台面旋转以产生相对于材料表面成角度的细丝的另选的实施方式。该实施方式被构造为提供相对于用于产生与采用扫描透镜的设备实施方式相似的结果的光束入射角的倾斜的样品。
图9示出了适用于部件分离的示例激光系统700的布局。激光765是能够传送例如具有在大约1uJ–50mJ的范围内的能量且重复率高达大约2.5MHz的突发脉冲的激光系统。
花岗岩升降器702设计为用于减弱机械振动的反应质量(reactive mass)，如在工业中通常使用的。这可以为在其上台面上的光学元件的可沿着一根轴线(相对于台面的X或Y)平移并且与其协同的桥。花岗岩基座704提供了可支承系统的任何或所有部件的反应质量。在一些实施方式中，为了稳定原因，处理设备740以振动方式从系统脱离。
设置Z轴线电机710以沿着Z轴线相对于台面平移光学元件(根据需要调节和聚焦，以及扫描光学元件)。该运动可与XY台面和架空花岗岩桥中的X或Y运动以及保持待处理的样品材料的花岗岩基座上的台面的XY运动协调。
台面720包括例如XY和具有倾斜轴线γ(“俯仰”)的θ台面。通过控制计算系统例如以产生较大母片材所需的部件形状来协调台面720的运动。度量设备730提供例如用于绘制、缩放和/或检查边缘质量后切割的后处理或预处理(或二者)测量。
图10(a)-10(d)示出了用于使用成角度的边缘标记内特征的成角度的切割方法，而不需要后分离处理以实现期望的角度结果。在图10(a)-10(c)中，经绕与激光束具有固定入射角的θ轴线755的旋转实现光束轨迹，其等于最终部分边缘765上期望的斜率。该非限制性实施方式使得能够进行作为支持经由细丝阵列生成复杂切口的设备的旋转台面的平移和成角度的切割，。
图10(d)示出了经由不同角度的多细丝形成束775处理形成倒角部分770的示例实现。应该理解，可控制光束和细丝路径以形成各种程度的倒角或斜面边缘。在协同(平行)形成的情况下，光束可被分裂和导向通过光学器件，以实现与正常入射光束一起多光束路径到达目标，表现出除法向以外的入射角，从而生成三面边缘或倒角。
应该理解，可根据例如通过处理容许的分裂程度通过两个或更多个面生成倒角，。在图10(e)中示出了一些示例构造。
图10(f)至图10(n)示出了在多个不同构造中利用多次切割以获得倒角的边缘的碱石灰玻璃的处理。在图10(f)和10(h)中，利用两个光束以扫描速度为500mm/sec和入射角为12度处理厚度为1.6mm的碱石灰玻璃基板，其中一侧划线，玻璃基板翻转，并且第二侧再划线。对应的后分割结构分别示于图10(g)和10(i)中。图10(j)-10(l)示出了多个放大水平的倒角的切面的边缘示图。
在一些实施方式中，如下所述，激光处理系统可构造为使得一个激光器(具有光束分离光学元件)可同时执行两个划线步骤。
图10(m)、图10(n)和图10(o)示出了利用与上面描述的那些相似的条件对部件进行三次切割以获得具有中间垂直边缘和两个倒角边缘的边缘的处理。在这种情况下，以12度入射角在一侧处理基板；基板翻转，并在另一侧以12度入射角进行处理，然后入射角针对竖直处理步骤改变为零度。如上所述，应该理解，可利用具有合适光束分裂的单个激光器同时执行这些处理步骤，前提是激光器具有足够功率。已发现，例如，平均功率为大约75W的激光器足以同时执行所有处理步骤。
为了将光束带至处于可变焦点位置、非法向入射角和可变的制程方法(recipe)控制位置的工件，可采用具有多轴线旋转和平移控制的前述设备，以生成细丝阵列的曲线区，为了将部件分离为组件零件，针对高(例如大于大约30MPa)分离时断裂强度的移动装置，切掉闭合形式的形状和生成诸如盖玻璃的产品，这在目前装置制造商当前采用的技术是不可行的。
本领域技术人员应该认识到，针对所有应用不需要所有这些轴线，并且一些应用将受益于具有较简单的系统构造。此外，应该理解，示出的设备只是本公开的众多实施方式中的一个示例实施方式，并且在不脱离本公开的范围的情况下，针对宽泛的多种基板、应用和部件呈现方案，这样的实施方式可以改变、修改或混合。
图11(a)示出了根据本文公开的方法用于大体积制造的示例旋转处理系统构造800的示例的示意图。所述示例系统包括旋转台面，以将部件传送至各个站，以消除装载和卸载开销以及后处理度量和预处理绘制。
提供绘制子系统805以确定分离将对其影响的例如样品的弯曲、大小、部件取向或曲率。处理站810根据本文公开的方法执行分离、起纹理、钻孔等。度量站815执行诸如部件针对存储的部件轮廓的测量或者边缘的检查这样的测量。装载和卸载站820被构造为将部件带入和带出处理站。直线滑动站830提供最小运动部件和成本的快速部件交换。台面围绕系统的中心轴线的旋转(如825所示)，在站与站之间传送部件。
图11(b)示出了提供了多基板、多光束和多激光头能力的处理台面810的示例实现基板。这使得能够复用处理台面，从而可一致地处理多个样品。在图中示出的示例实施方式中，在被导向到可位于四个位置的部件上之前，激光器832和834发射的光束通过操作装置穿梭器838被分裂并朝着各个X、Y、Z、θ和γ台面导向。
图11(c)-11(f)示出了涉及处理四个晶片的双重激光束系统的另一示例实现。如图11(c)所示，四个晶片(1-4)按照四个象限分开以便处理，晶片之间具有可控间隙1100。参照图11(d)，利用包括分束器1105、镜子1110和透镜1115的可动光束传送系统从单个激光系统形成两个入射和横向间隔的(沿着x方向)的突发激光束。光束各自聚焦到分离的晶片(例如晶片1和3或2和4)上，其中分离的晶片由公共支承件1120支承。
如图11(e)所示，光束传送系统相对于晶片沿着Y方向平移，以根据本公开经细丝处理划线晶片。在完成沿着Y方向的给定线划线之后，晶片与光束传送系统之间在X方向的相对位置变化，并且沿着Y方向对晶片进行再次划线。重复该处理，以有利于沿着Y方向的所有要求的线的激光处理。应该理解，晶片处理的速度更取决于Y台面的速度而非X台面的速度。因此，在一些实施方式中，Y台面可通过较高速度的电机而非控制X台面的电机来控制。
图11(e)示出Y方向的两根示例划线，即第一划线1130和晶片中间划线1140。图中还示出了其中光束传送系统与晶片之间的相对速度在划线之前增加的加速区域1150以及其中光束传送系统与晶片之间的相对速度在划线之后减小的减速区域1160。
当激光束不位于晶片上的划线上时，激光脉冲可被阻挡或衰减。取决于时间的两个示例激光功率曲线示于图11(f)中，其中时间曲线(i)对应于图11(d)中的第一划线1130，而时间曲线(ii)对应于图11(d)中的中间晶片划线1140。
在已形成沿着Y方向的所有划线之后，晶片随后相对于光束传送系统旋转90度，并且重复处理以沿着X方向划线所有期望的线，如图11(f)所示。
在一些实施方式中，入射激光脉冲的偏振可为水平、竖直或圆形，如以下进一步详细的描述。例如，针对一些材料已发现，在进行划线期间采用水平偏振导致提高的划线效率。
图12示出了对透明基板的处理以产生具有复杂边缘的部件840、内部切口特征842和圆角。如图所示，角部844的半径可以是固定或可以是可变的。该图还论证了针对闭合形式形状和内部特征的应用形成细丝的随机曲线阵列的能力。
在另一实施方式中，最终透镜可以为例如大约50mm的大通光孔径，其可被采用以产生大约25mm×25mm(高达100mm×100mm)的场，并且场未校正，从而角度畸变生成除法向之外的入射角，并且使得分离的产品在处理之后立即具有成角度或倒角的表面。
在一些实施方式中，相对于包含突发的各子脉冲的上升或下降能量水平，在产生突发脉冲时可以在突发脉冲中存在一定程度的可编程性。换句话说，用户通过选择脉冲的突发包络的上升或下降波形轮廓，给出控制的程度。该脉冲能量轮廓调制允许用户确定热形成的速率，并且因此确定材料经受声压缩的速率。因此这种方法允许利用通过脉冲到脉冲控制所调制的突发脉冲轮廓进行声压缩控制。
如下所述，可以采用本分离方法来实现比常规方法产量高的处理，这是因为在一些实施方式中，可以在单个处理步骤中并且以比常规分离部件高的弯曲强度来实现分离。
对于单层或多层材料，假设在已经横穿各层或表面之后在光束中存在足够的能量，则以空间分布式方式聚焦的突发脉冲的能量特性使设备能够在材料中传送基本均匀密度的材料压缩波超过延伸长度。如以下进一步描述，再次假设采用足够能量以及聚焦条件，则在涉及多材料层堆叠件的示例实施方式中，能够发生多层成丝，其中，该多材料层堆叠件带有如下间隙，该间隙由在一些或所有的干涉层之间具有基本不同折射率(例如，复合和/或实际)的空气、气体、真空或其它材料形成。如上所述，通过改变光束和工件之间的相对平移速率，能够改变细丝阵列的间隔。
如上所述，上面公开的成丝改性方法使得能够进行透明材料的快速且低损坏的分离、分切、划线、分割、切割以及切面处理。在一些实施方式中，基于细丝的分离可以在平的或弯曲的材料上执行，并且因此可以在许多制造应用中采用。该方法通常应用于其中可以经由超快激光脉冲的突发形成细丝的任何透明介质。根据下面公开的实施方式提供的设备可以提供如下手段：该手段用于在多个轴线中的协调光束运动，例如，在弯曲表面上方和周围延伸，并且带有用于最终产品的特征和加工时(as-processed)特征的可编程控制(例如，根据之前选择的方案)的可选自动聚焦元件，其中最终产品的特征诸如为产品的弯曲强度、边缘粗糙度、电或光效率、成本，加工时特征诸如为边缘形状和纹理。
在一些示例实施方式中，对于玻璃材料(例如，包括铝酸盐、硅酸钠、掺杂介电氧化物以及类似的化合物或化学计量)，本文公开的分离方法可以用于液晶显示器(LCD)、平板显示器(FPD)、有机显示器(OLED)、玻璃板、多层薄玻璃板、汽车玻璃、导管、眼镜上显示器、保护窗、安全玻璃、层压结构、建筑玻璃、电铬(electrochromic)、或者生物芯片、光学传感器、平面光波电路、光学纤维、实验室、工业和家用玻璃器件和艺术品的分切或分割。
对于半导体材料(诸如硅、III-V族或其它半导体材料，特别地，呈薄晶片形式的那些材料)，本文公开的分离方法可以用于微电子芯片、存储器芯片、传感器芯片、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)以及其它光电子装置的处理。
在其它示例实施方式中，本文公开的成丝方法可以用于透明陶瓷、聚合物、透明导体(即，ITO)、宽带隙玻璃和晶体(诸如结晶石英、金刚石、蓝宝石)的分切、切割、钻孔或划线。
本文公开方法也可以扩展到复合材料和组件，在该复合材料和组件中，至少一个材料组分对激光波长是透明的方便这种成丝处理。非限制性的示例包括硅基二氧化硅(silica on silicon)、玻璃上硅(silicon on glass)、金属涂敷玻璃板显示器、印刷电路板、微电子芯片、电铬显示器、镜子、玻璃、窗或透明板、光学电路、多层FPD或LCD、生物芯片、微流体装置、传感器、致动器、MEM、微全分析系统(μTAS)和多层聚合物包装。
细丝相对于光束轴线的径向对称，使得材料特别容易于由后续方法分切，以便提供高的断裂强度，这些后续方法诸如但不限于：其它激光处理、加热、冷却、气体喷射以及在非触摸方法中对部件进行分离的其它手段。
在一个实施方式中，可以采用另一个激光曝光来对由第一曝光产生的细丝阵列线进行勾画。这能够通过用于形成细丝的激光或另一更经济的激光来完成。以这种方式，由于厚度或材料特性导致完全分离在玻璃部件上受到影响，对于该玻璃部件，这里的加工技术不要求或不实现自然自分割。附加的激光曝光可以是脉冲或CW。附加激光曝光的功率水平可以是大约10W或更多。附加激光曝光的波长可以是长于532nm。附加激光曝光的相对平移速度可以是大约500mm/s。可以使用静态或动态(扫描)光学器件来传送附加激光曝光。
根据本文公开的方法形成的产品和材料，可以呈现依靠处理条件的独特的电和光产生属性以及如何在该产品和材料内做出细丝。例如，强度更高的部件(玻璃或蓝宝石)可以形成为呈现出耐失效(机械的或电的)以及很低但可编程的边缘粗糙度。耐失效也可以扩展到在因此分离的这些部件上或内制作的装置。
如图13(a)和图13(b)所示，细丝的重叠程度(或细丝的分离间隔)是用户和制程方法可选择的，从而该部件的边缘粗糙度(850、852)能够控制在微米级别。当装置性能受分离条件影响或控制时，对边缘粗糙度的这种控制可以是有用的。因此，当前公开的方法和系统能够生产新的材料几何形状和/或部件，从而对于在诸如消费产品、航空航天、汽车和建筑领域这样的领域中的制造替代方案而言，打开了新的途径。
对于具有高断裂强度的分离部件的成丝
可以采用前述实施方式来制造基板带有强度高、非损坏边缘的基板，该强度高、非损坏边缘的断裂强度超过经由其它激光处理方法得到的断裂强度。这种基板可以用于各种应用，诸如呈现倒角、斜面或圆角(bull nose)边缘的平板PC、手持装置、镜子、玻璃板、半导体、膜堆叠件、显示器透镜阵列、电聚焦阵列、电铬组件、显示器、LCD和FPD。
例如，已经发现，根据上面公开的方法处理并且随后分离的基板可以呈现大于50MPa的断裂强度。图14(a)-14(c)例示了如在用于确定因此分离的材料的经处理的断裂强度的ASTMC158中描述的断裂强度测试协议。图14(a)和14(b)示出两个示例断裂强度测量构造，而图13(c)示出用于确定特性强度的示例威布尔(Weibull)图。示出的报告的示例方法是威布尔图，威布尔图设计成传达在测试下的材料的静态输出，并且预测什么时候以及在什么条件下材料可能失效。
在一些实施方式中，本文公开的方法可以被采用以提供足够高能支持超过100MPa的断裂强度的边缘质量。例如，对于根据本文公开的方法分离的材料的分离时的断裂测试数据，已经证明了在非化学加强玻璃中，断裂强度高达300MPa。因此产生的材料和任何产品的断裂强度能够受到处理条件的合理选择的正面影响。应该注意的是，虽然超过100MPa的断裂强度是期望的，但是在没有进一步处理的情况下，使用其它方法不能获得这种高断裂强度。
用于复杂样条处理的设备
在一些实施方式中，用于在根据上面公开的方法的基板内形成细丝的系统可以包括安装有最终目标(γ轴，γ)的自动万向架和旋转台面，与协调Z位置控制结合，用于绘制(render)复杂样条部件。该实施方式支持以高产量并且在不需要进一步精细化或后处理的情况下产生高弯曲强度部件。
图15(a)和图15(b)例示了具有复杂样条表面的样品900的处理，其中，可以以任意形状切割部件，以法向或非法向光束入射角交叉因此分离的部件的期望特征(例如，其中/其上的装置的强度、导电性、电效率，耐蚀刻性或蚀刻效果等等)所限定的该部件形状的整个周边。取决于部件的应用和其要求/期望的性能包络，在连接有用于恒定目镜间隔的自动聚焦的XY平面中的适当平移，在θ和γ轴上的协调运动，能够用于产生带有用户可选择(在合理范围内)性能的部件。可以平移和/或旋转光学器件(图15(a))和/或被处理的部件，以实现这种能力。图15(b)和图15(c)例示了经由台面905平移和/或旋转被处理的部件。图15(d)提供了该实施方式的示例实现，示出了经由细丝形成处理以呈现圆化边缘的玻璃部件。
多层的处理
[210]在其它实施方式中，能够横穿若干层玻璃或者在不同透明材料的多层中产生多级细丝，所述若干层玻璃由透明气体或其它透明材料隔开。基板可以包括两个或更多个层，其中，选择聚焦激光束的光束焦点的位置，以在所述两个或更多个层的至少一个中产生细丝阵列。
例如，该多层基板可以包括多层平板显示玻璃，诸如液晶显示器(LCD)、平板显示器(FPD)以及有机发光显示器(OLED)。也可以从由下述各项组成的组中选择基板：汽车玻璃、导管、窗、生物芯片、光学传感器、平面光波电路、光学纤维、饮用玻璃器皿、艺术玻璃、硅、III-V族半导体、微电子芯片、存储器芯片、传感器芯片、电光透镜、平板显示器、要求高强度覆盖材料的手持计算装置、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)以及垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。
另选地，首先可以选择聚焦激光束的光束焦点的位置，以在所述两个或更多个层中的第一层内生成细丝阵列，并且该方法可以进一步包括如下步骤：定位第二光束焦点，以在所述两个或更多个层中的第二层内产生折射率变化；照射第二层并且平移基板，以产生限定用于分割基板的第二内部(对于堆叠件为内部，不是各个层)划线路径的第二阵列。可以从相对于当照射第一层时的相对侧照射基板。协同地或在随后的处理步骤中，可以进一步从顶部和底部或者从多个入射角照射基板。而且，在照射第二层之前，可以相对于当照射第一层时的光束焦点的位置侧向平移第二光束焦点的位置。可以使用第二聚焦激光束来照射第二层。能够由系统从单个源或者第二源来提供该光束。协同操作的多个光束因此能够并行地处理多个基板。
图16(a)例示了如何能够通过以倾斜部件(tiped part)或倾斜光束925或两者的任意的入射角(倾斜是指非法线入射)形成细丝区域930来分离具有多个材料堆叠件935的基板(可选地，带有具有较大或较小折射率n的间隙940)，以使得能够进行复杂堆叠件的分离。另外，可以选择条件以影响部件及其组成部分的中间和末端交界处的烧蚀。这主要通过控制细丝形成的起始(通常距最终目镜的设定距离)来调整，以与其中要求形成细丝的目标层的z位置一致。通过调整该部件或光学器件的z高度，能够在确定首先在何处形成细丝方面给用户提供高的控制度。
图16(b)示出该实施方式的示例实现，其中以单道按0.5m/s的速度经由细丝形成来处理具有2.1mm的厚度的三层层压玻璃基板。图16(c)示出了包括两个空气间隙和中间粘合层的细丝处理后的多层装置的分割后的电子显微图像。
在一些实施方式中，通过控制激光曝光以仅在固体透明层中形成细丝，能够避免在单层或多层板中的每个表面上产生烧蚀和碎片。当必须以光滑且无裂纹的切面来分割厚玻璃或易碎的多层透明面板时，这在制造中提供显著的优点。
例如，图16(d)示出了显微图像，该显微图像例示了使用混合处理方法分割层压液晶显示器基板的示例实现，其中经由V凹槽来处理顶面，并且经由细丝形成来处理底面。
监测
在一个实施方式中，用于执行上述方法的示例设备利用可变波长而包括视觉和对齐能力，其可以是用户可选择用于对比、用于边缘定位、晶片绘制以及激光处理前及激光处理后这两者的度量。在一个示例实施例中，用于图像获取和分析的标准机器视觉组件足以完成该任务，并且将其与对齐算法结合，提供所需水平的控制。音圈或类似的器具可以被提供，并用于在z方向上驱动光学器件或部件，并且线性电机可以用于XY定位。电机可以在编码器信号中配备有0.1-10μm的精确度和准确度。
例如，在LED晶片的情况下，晶片不是平坦的。在装载站，能够拾取并且然后预绘制(pre-mapped)晶片，以计算由分切带、DAF(芯管附连膜)或安装引起的样品弯曲度或其它变形。通常通过与工件交叉的光束或光源的光学扫描来完成预绘制，其中查询反射光以测量工件和照相机之间的距离。例如，该实施方式可以实施为共焦系统。共焦或类似的快速自动聚焦机构可以足以提供相对于LED晶片凹口或平面的精确格线(street)定位和模具角部边缘定位。可以选择z位置以与所要求的焦点位置一致，加上或减去晶片弯曲度偏差，作为XY和θ位置的函数。该预绘制数据然后会被加载到系统计算机，并且用于通过伺服协调信号来在Z上驱动实时自动聚焦系统。该系统可以使得能够在相对于台面或部件的表面的几何焦点的位置中进行大约+/-50nm的自动聚焦控制，同时相对于光束以高的线性速度(诸如直到1.5m/s))平移样品。
在一个示例实施例中，可以通过力框架度量框架构造(frame-metrology frameconfiguration)来完成该功能，其中反作用力被减弱到非连接机器组件中，使得光学框架未被所引起的振动搅动。
在一些实施方式中，视觉系统能够测量细丝的特性和/或维度以追踪部件文件保真度(fidelity)，当测量未在预定范围内时产生告警、报告或其它通知。如上所述，该系统可以配备有在横截面中追踪细丝形成的视觉系统。
在一些实施方式中，能够快速反馈(例如，采样率>1KHz)的电子可以用于实时地测量与细丝形成相关联的一个或更多个处理参数。在图17(a)中示出了一个示例实现。任何或所有的监测组件可以被构造为(平移或在角位置中改变)追踪细丝形成的位置。例如，通过在图17(a)中示出的示例实现，将两个照相机(成像装置)和一个检测器布置为测量和监测细丝的大小、深度和间隔。将照相机或检测器950定位为检测在细丝形成处理期间发射的光学辐射，其中能够处理与所检测的光学辐射相关联的信号用于度量。将照相机952定位为通过正被处理的透明材料的边缘来监测在形成细丝960时细丝960的深度和/或大小。将检测器954(其可以是成像装置或照相机)定位为测量细丝阵列的宽度(图17(b)例示了通过该照相机获得的细丝阵列960的示例图像)。
可以给控制和处理系统970提供任何所测量的属性或参数，以便验证处理质量和/或提供反馈测量用于主动控制该处理。例如，所测量的属性或参数可以与存储在控制系统中的预定值进行比较。控制和处理系统970可以是计算机或配备有处理器的计算装置，计算机或计算装置被编程以控制细丝形成处理(参见图7(b))。
在一个示例实施例中，对来自一个或更多个成像装置的输出进行处理，以识别细丝的结束点和位置，以便向z伺服提供反馈以用于监测细丝的深度。当期望确保细丝终止在材料内(例如，LED分切)时，该实施方式可以是有利的。如图19所示，可以包括附加的成像装置，用于提供与形状和/或位置保真度相关联的度量数据。
如图17(c)和图17(d)所示，光源970(诸如红外光源)可以用于产生光学采样光束，该光学采样光束穿过一个或更多个细丝并且随后由检测器/照相机975检测。图19(c)例示了平面内监测实施方式的示例，而图19(d)例示了成角度平面外监测实施方式的示例。
例如，对于涉及分离具有DBR(分布式布拉格反射器)和GaN结构的LED晶片的示例应用，前述实施方式可以特别地有用。存在基本优点是，能够在基板内产生分割平面，并且控制该特征所保持(persist)的深度。在具有GaN层的LED的情况下，由于在基板和GaN粘合层之间的交界处存在烧蚀处理，GaN受到干扰(disturbed)。本方法使得不仅能够有将该深度控制到z位置的大约<10μm内的方法，而且能够有在细丝形成事件之后使激光束快速发散(diverge)的能力。这意味着与常规激光处理相比，在细丝区域正下方的材料受到较小的影响(光学上、机械上、热上和振动上)。通过在细丝末端处以高发散性经过很短时长的处理，细丝产生更温和的内部效果。
如上所述，为了进一步提高激光系统的度量和监测能力，针对指示基板中的改变的强度和/或光谱改变，能够监测随着形成细丝(通过非线性处理所产生)发射的白光。通常，细丝的大小、位置、图案保真度和深度中的任何一个或更多个以及目标材料的化学和物理特性，能够被监测并可选地用在用于控制系统的主动反馈环路。
在一些实施方式中，视觉、对齐和度量系统中的任何一个能够位于目标基板上方和/或下方，并且能够用于经由伺服控制的致动器来将聚焦光学器件引导到相对于目标堆叠件中目标层的预定位置。假设至少一个层足够透明以支持产生细丝，则该目标层能够是一个或更多个层厚，并且能够对于入射激光波长而言是透明或不透明的。
烧蚀和经由细丝形成对齐半导体装置
在其它示例实施方式中，上面公开的方法和设备可以用于在基本透明的基板上沉积的第一入射层(首先遇到激光辐射的层)中产生烧蚀标记，以便随后在进一步处理期间有助于基板的相对定位和对齐，例如用于帮助在半导体装置的处理期间在基板上或在基板内生成的装置的相对定位。
例如，众所周知，LED晶片的不透明层在处理期间可能难以对齐。之前的努力已经采用红外照相机来定位对齐标记或基准，并且然后将这些记录到激光坐标系。新的晶片形态使得这个更难以实现，这是因为金属层变得足够厚而阻挡红外信号并且因此防碍对齐。
因此，在所选择的实施方式中，在由于存在厚金属层(具有使IR观察无效的厚度)而使得常规视觉构造不现实的应用中，前述实施方式可以用于提供定位感兴趣的结构的手段，例如在待被分离的半导体晶片上相邻的小片(dice)之间的格线。
因此，为了通过存在于透明基板(诸如激光模)内或上的金属层产生对齐标记，可以采用以下示例实施方式。特别地，通过改变激光功率并且增加突发中脉冲的数目，本文描述的处理可以适用于通过金属层产生烧蚀(代替形成细丝，或者附加于形成细丝)。在一些实施方式中，可以根据上述细丝处理方法和条件对金属进行烧蚀，使金属层在透明基板上的厚度小于大约50μm。已经发现，突发中起初的一些脉冲对金属进行烧蚀，并且然后突发中的脉冲进行形成细丝。
在一些实施方式和应用中，有利和/或期望的是，对具有金属层的材料进行处理，使得金属被局部地烧蚀而没有形成与金属层相邻的细丝。例如，在细丝的存在将损坏紧邻金属层的半导体层(例如，LED晶片的GaN层)的应用中，这可以是优选的。这可以通过避免细丝形成所要求能量密度同时维持足够能量以整洁地烧蚀金属来实现。例如，已经发现，大约5W的激光功率以及在1064nm处一个突发中具有20个脉冲，适合于烧蚀薄金属层而没有形成细丝。
应该理解的是，前述实施方式可以适用于执行在透明材料上的任何表面处或透明材料内的任何金属层的烧蚀。例如，金属层可以存在于透明材料的外表面上，或透明材料内的内表面处。而且，在一些实施方式中，根据前述实施方式可以并行地或串行地烧蚀两个或更多个金属层。
在一个示例实施方式中，图18(a)-18(c)中例示，半导体晶片具有形成在其上的装置阵列，并且在有源装置层下方(例如在晶片的底面上)具有的金属化层，根据该方法处理该半导体晶片。从例示装置阵列的图18(a)的顶视图示出基板/晶片1000。如18(b)所示，装置的底面包括至少一个金属层1020。如上所述，基于使用较低功率突发序列1010的来自基板的背表面的照射，通过(多个)金属层烧蚀地做出对齐标记。相对于参考框架空间地记录这些对齐标记。当使用适合于细丝形成的突发序列1040对来自上方的样品进行处理时，可以随后利用对齐/基准标记1030(例如，样品可以翻转(flipped over)并且可以利用烧蚀标记作为基准标记来进行处理)。因此，在避免由先进LED基板(包含用作散热片和/或反射器的较厚的金属层)引起的限制方面，本方法可以是有利的。
图18(d)是根据该方法处理的LED晶片的顶视(overhead)图像，其中，突发激光脉冲用于处理所有层，所述所有层包括金属层(低功率标记)、DBR层、PSS层以及蓝宝石和GaN层。
针对在LED装置晶片的半导体侧(例如GaN)和反射器侧这两者上通过金属化在透明材料中采用细丝形成的用户能力方面，该方法的灵活性是清晰可见的。能够从自蓝宝石基板应用划线，而没有对周围装置或半导体层的分层产生损坏。取决于装置设计或其表现(presentation)中内在的限制，能够从任何侧对两侧应用该处理以影响分离。
不管在分离期间采用哪个方向，可以执行根据本实施方式的处理而没有对分切带引起损坏。特别地，因为在穿过基板之后光束的很大发散角及其较低的功率，分切带可以很少受损坏。例如，这在图18(e)和18(f)中示出，其示出经过后处理的基板具有完整的分切带。图18(g)和18(h)示出了移除分切带之后的经过处理的基板。应该注意的是，利用棉签或其它适合清洁仪器，能够移除少量残留的带标记。
在一些示例实现中，当前构思的实施方式将采用常规光学照相机用于对齐，无需昂贵的视觉系统。
不同于其它处理方法，细丝快速消散，由此激光束在细丝形成终止(quenched)之后经历高度分散，这导致对配备有具备高程度的z精确度(例如～0.01μm)的自动聚焦机构的LED处理站的应用该激光处理，以对小片进行分离，而没有导致损坏GaN或DBR(分布式布拉格反射器)层。应该理解的是，能够通过调制光束功率并选择适宜光学聚焦条件来选择特定层的处理，以产生外部的在材料前和/或后的焦点(束腰)，而没有形成外部的等离子体沟道，用于“倾泻”不希望的能量。
该方法中的灵活性还允许在可从装置的任何侧接近的目标材料或堆叠件内的任何入射表面中产生对齐标记，因此使得能够对现在在研发实验室中出现的甚至最先进的LED堆叠件进行完全对齐的分离，其中，这些层及其组分使得常规对齐和分离技术完全不兼容且无效。
取决于存在于被标记的表面附近的材料或者其中正做出标记的材料，可以使用细丝和/或烧蚀技术来生成对齐标记(烧蚀技术用于在表面“上”的标记，而细丝技术用于在材料“内”需要的标记)。例如，电介质上的金属将使得两种类型的标记可用于通过视觉系统来检查和定位。
示例
示出以下示例，使得本领域技术人员能够理解并实践本公开。它们将不会被认为是对本文提供的实施方式的范围的限制，而仅仅是作为说明性的和代表性的示例。
示例1：经由激光成丝分离玻璃样品
为了论证上面公开的一些实施方式，在激光系统上处理玻璃样品，该激光系统配备有50W皮秒激光器(ps laser)，以高重复率(rep rate)(〉400kHz)操作以便激光束对目标进行很快的交叉扫描，带有以大约500mm/s–1000mm/s的速率移动的台面，其中已经安装有0.7mm厚的Gorilla玻璃。在1064nm的基波下以小于25ps的脉宽操作激光器，被设定为在突发模式下操作，在一个突发中具有20个子脉冲。
已经以高速实现直线切割和曲线形状两者，具有很好的边缘质量和很高的弯曲强度。例如，因此处理的Gorilla玻璃的样品已经示出>110MPa的切割时弯曲强度。图19示出了在形成改性区(所谓的划线步骤)和分割步骤(分离)之后切面边缘的缩微照片。在表面的基本部分上方，示出粗糙度为小于10μm RMS。图20示出了在正交方向上示例基板的分离后表面粗糙度测量。
在另一个示例中，在具有0.4mm的厚度的蓝宝石中已经生成半径角和切面边缘部分，具有甚至更好的测量值低至大约200nm RMS的粗糙度，如图21所示。
系统的台面运动与激光脉冲和触发信号协调，使得激光和部件的相对运动同步，从而拾取部件不用再等待激光或台面。即使当在弯曲部分上(诸如角部周围)产生细丝阵列时，光束相对于材料的速度也因此被维持为恒定值。这通过基于来自样条文件(样条文件被从Adobe illustrator文件读入计算机)的数据控制光束和材料的相对运动来实现。恒定的速度维持细丝之间的恒定相对间隔，因此在所有位置在分离之后产生一致的细丝形成和交界质量。应该理解的是，该实施方式可以应用于激光处理的任何方法，并且不限于涉及经由激光成丝处理的上述实施方式。
基于待被测试的材料根据经验来选择突发特性。根据经验发现，当细丝长度延伸大于基板厚度的大约10％时，获得改善的分离结果。发现这对于厚的、软的玻璃以及对于包含灵敏电装置的基板(诸如LED晶片)而言是特别正确的。较软的玻璃(类似于硼硅酸盐和碱石灰)可以受益于更长的细丝(可以高达样品厚度的75％)以便产生具有一致性和高材料质量(包括具有最小碎片的边缘粗糙度)的分割。
这些结果说明，能够通过改变激光曝光的脉冲特性来容易地控制细丝的本性。换句话说，除了能量、波长以及光束聚焦条件(即，样品中的焦点位置、数值孔径)这些参数之外，脉冲参数能够被调整以获得期望的细丝轮廓。特别地，能够改变一个脉冲突发中的脉冲数目以及连续脉冲之间的延迟时间，以控制所产生的细丝的形式。如上所述，在一个实施方式中，通过提供用于产生各细丝的脉冲突发而产生细丝，其中各突发包括一系列设置有相对延迟的脉冲，该相对延迟小于用于所有材料改性动力学(modification dynamics)的松弛的时间级别(timescale)。
在单片玻璃划线、平板玻璃划线、硅和/或蓝宝石晶片划线的工业应用中，对使用具有被证实的可靠性的激光系统的较高划线速度存在需求。为了论证该实施方式，使用具有在皮秒范围内的脉冲时长的高重复率商业超快激光系统来执行实验。
在一些实验研究中，已经根据本文公开的方法对移动电话玻璃显示器和平板覆盖玻璃进行分离。已经从大的母板和较小的电话大小的单元，以大的灵活性和速度，对Eagle2000玻璃或可变厚度玻璃以及Gorilla玻璃在离子交换前和后进行分离。包括切面边缘和复杂样条形状表现了在易碎材料分离方面现有技术状态的基本扩展。使用基于再生式放大器的平台已经在飞秒和皮秒两者脉冲状况内产生目前最好的结果。
在一些实验中，除了其时间和空间特性之外，还修改了入射光束偏振。这些参数的操纵已经产生参数空间，所述参数空间驱动在随后的做好生产准备(production–ready)系统中的机器设计。例如，因为能够旋转伺服和协调的偏光器以改善或优化基本通过厚基板的角切割，所以偏振给予处理灵活性。例如，对光束的偏振状态的这种控制对于产生带有内部和外部行的斜面玻璃部件是有用的。可以根据该方法来处理要求圆角和/或激光束传送系统的旋转(如果不旋转则至少平移)的部件，这是因为这样部件的处理涉及光束入射角(所述光束入射角当该部件和激光器相对于彼此移动时改变，这继而影响细丝形成效果)。因此，因为光束的入射角在处理期间改变，所以可以控制入射光束相对于材料表面的偏振状态。例如，这可以通过使用自动光束传送系统(如本文描述的)来实现，在该自动光束传送系统中，除了光束位置和取向之外以及与光束位置和取向相关联，在处理期间控制还偏振状态。
已经在遍及玻璃厚度从0.3到3.2mm的宽范围或者厚度甚至从0.1到8mm的更宽范围产生示例部件。以500mm/s和更大的平移速度来产生玻璃部件。以500mm/s的平移速度来产生蓝宝石材料。改性区形成的速度具有如下优点，即机器的特性高速度台面以及部件(以平滑和一致的方式)快速改变方向的能力，从而产生为部件文件的忠实再现的边缘。电致变色窗是针对本系统的适合的示例应用。该实施方式的示例是航空航天玻璃的处理。分离部件呈现弯曲和精确的边缘，并且实际上即可立即在分离之后组装。
通过能够被制造为每个带有不同的部件展示方案的部件的宽阵列，突出了本方法的灵活性。该灵活性的部分源于：能够响应于处理需要而快速移动光束的焦点和空间分布的可调整光具组的使用。与本文论证的灵活性结合，带有低粗糙度边缘的基本或高效无损分离的产生，对在显示器和通常易碎材料分离市场中的该技术提供了商业机会，其中，在市场中，要求高产量、高强度部件具有小于30μm RMS的边缘粗糙度，部件需要以高速和比任何竟争技术低的所有者的成本产生。
示例2：在玻璃基板中形成6mm长的细丝。
在一个示例实施例中，激光束可以包括具有小于大约500ps的脉冲时长的脉冲的突发，其准直和聚焦到目标外部的光斑(例如，带有大于大约1μm并且小于大约100μm的光腰)。在没有旨在限制于理论的情况下，并且如上所述，确信的是，引起细丝形成的非线性相互作用导致材料内的一系列声压缩。这些声压缩被理解为围绕光束轴线基本对称。通过多个脉冲和光束参数(如上所述，包括焦点位置、激光功率和脉冲能量)来确定该区域的纵向长度。
例如，使用50W激光，以各自具有大约10ps的脉宽的脉冲的突发序列，例如以2MHz的重复率，能够在玻璃材料内生成长度超过10mm的细丝。能够形成所述细丝，使得所述细丝不发散，是连续的，并且呈现从材料顶面到材料的底面基本恒定的直径。
特别地，已经注意到该结构具有小和窄直径(例如大约3μm)的管，该管起始于顶面上并且以光滑和均匀的方式(具有小于大约10μm的内部RMS表面粗糙度)延续，从目标层或堆叠件的底部离开，使得出口直径也在大约3μm的量级(在本示例中)。在细丝的属性以及对其中形成有细丝的材料的影响这两者方面，该细丝具有可控制的属性。用于控制细丝的参数的一个示例是，光束交叉工件的平移(或者工件相对于光束的平移)的速度。
本方法和所有之前已知方法之间的一个重要不同是速率，即能够生成这些细丝并且因此划线/分割/分切阵列的速率。在本示例中，能够以大约600mm/s生成6mm细丝。该形态、速率和划线后材料完整性，在激光处理的历史上绝无仅有。
示例3：使用1064nm脉冲激光器形成细丝
在本文公开的方法、设备和系统的一个示例实现中，如上所述被构造为输出皮秒脉冲的突发的激光器被认为带有以下器件的光具组：带有准直器和操纵光学器件；可选地带有能够以用户可选择的角度进行传送的场校正区域的扫描器；带有设计成引起像差波前的光学器件的光束，该光束能够经由负或正透镜聚焦，使得相互作用区域超过待被划线的目标层的深度。在一个示例实现中，以5MHz从50W1064nm激光器发射的皮秒脉冲的突发通过一系列透镜聚焦，以便使用双重或三重透镜在材料外部的焦点处产生5μm光斑，其中取决于目标基板和期望的最终结果(完全切割、划线和破碎等)，焦距的比率W在-20和+20之间(L1fl/L2fl＝W)，这是因为相互作用区域的长度将确定处理时部件的特性。如上所述，在一些实施方式中，可以采用直到大约-300至300的透镜焦距的比率。
作为示例，已经示出上述具体实施方式，并且应该理解的是，可以容易地对这些实施方式进行各种修改和替代。还应该理解的是，权利要求并不旨在限制所公开的具体形式，而是旨在覆盖落在本公开的精神和范围内的所有的修改、等同物和替代。
本专利申请要求于2013年8月2日提交的美国临时专利申请No.61861880的优先权和利益。于2013年8月2日提交的美国临时专利申请No.61861880以引用方式全文并入本文中。

Claims (24)

1.一种用于对透明材料进行激光处理的系统，所述系统包括：
激光源，所述激光源被构造成提供激光束，所述激光束包括激光脉冲的突发；
一个或更多个聚焦元件，所述一个或更多个聚焦元件被构造成相对于所述透明材料对所述激光束进行外部地聚焦，以在所述透明材料的外部的位置处形成束腰，同时避免形成外部等离子体沟道，并且
所述激光束和所述一个或更多个聚焦元件在所述透明材料内产生足够的能量密度，以在没有引起所述透明材料的光学破坏的情况下在所述透明材料中形成连续的激光细丝。
2.根据权利要求1所述的用于对透明材料进行激光处理的系统，所述系统进一步包括：
电动机构，所述电动机构用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置；以及
控制和处理单元，所述控制和处理单元操作地连接到用于改变所述激光束和所述透明材料之间的所述相对位置的装置。
3.根据权利要求2所述的用于对透明材料进行激光处理的系统，所述系统进一步包括：
所述控制和处理单元被构造成控制所述激光束和所述透明材料之间的所述相对位置，以便在所述透明材料内形成连续的激光细丝的阵列。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或更多个聚焦元件包括一个或更多个有像差光学元件。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述一个或更多个有像差光学元件包括被构造成产生有像差激光束的正常场校正扫描透镜和校正窗。
6.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：
所述激光束具有在所述透明材料上的入射光斑直径以及在所述透明材料内的连续激光细丝直径；
临界比率，所述临界比率被定义为在所述透明材料上的所述激光束的所述入射光斑直径与在所述透明材料内的所述连续激光细丝直径的比率；
所述激光被聚焦使得所述临界比率在大约1到1000之间。
7.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：
用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对取向的装置；以及
控制处理单元进一步操作地连接到用于改变所述激光束和所述透明材料之间的所述相对取向的所述装置。
8.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：
控制和处理单元，所述控制和处理单元用于控制所述激光源。
9.根据权利要求8所述的系统，所述系统进一步包括：
所述控制和处理单元改变所述激光源的脉冲波长。
10.根据权利要求8所述的系统，所述系统进一步包括：
所述控制和处理单元改变所述激光源的突发内的脉冲-脉冲分离。
11.根据权利要求8所述的系统，所述系统进一步包括：
所述控制和处理单元改变所述激光源的突发内的所述单个脉冲的脉冲能量。
12.根据权利要求8所述的系统，所述系统进一步包括：
所述控制和处理单元改变所述激光源的突发重复率。
13.根据权利要求8所述的系统，所述系统进一步包括：
所述控制和处理单元改变所述激光源的脉冲能量。
14.根据权利要求8所述的系统，所述系统进一步包括：
所述控制和处理单元改变所述激光源的偏振。
15.根据权利要求7所述的系统，其中，用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的所述装置被构造成维持在所述透明材料内形成的连续细丝之间的恒定间隔。
16.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括用于所述激光束的实时自动聚焦的装置。
17.根据权利要求15所述的系统，所述系统进一步包括：
至少一个光学监测装置，所述至少一个光学监测装置被构造为用于对所述连续激光细丝进行光学地监测；
所述控制和处理单元操作地连接到所述至少一个光学监测装置；
所述控制和处理单元被构造成，基于通过所述至少一个光学监测装置提供的图像或信号来确定与所述连续激光细丝的形成相关联的一个或更多个参数；以及
所述控制和处理单元被构造成，根据所述参数中的至少一个来主动地控制所述连续激光细丝的形成。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述成像装置位于所述透明材料的上方、下方、邻近。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个光学监测装置包括：
光检测器，所述光检测器被构造成检测在所述细丝形成处理期间发射的光辐射；
所述控制和处理单元被构造成处理来自所述光检测器的信号以确定与所述连续激光细丝相关联的一个或更多个参数。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述参数中的所述一个或更多个从由细丝深度、细丝大小、细丝位置以及图案保真度组成的组中选择。
21.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括如下步骤：
所述透明材料具有在两个、两个半或三个维度上具有复杂样条轮廓的表面；
控制所述激光束和所述透明材料之间的所述相对位置并且控制所述激光束的取向，使得所述连续激光细丝的阵列形成在所述透明材料内，分离或分割所述透明材料导致形成倾斜的、直的或倒角的边缘。
22.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括如下步骤：
所述透明材料具有在两个、两个半或三个维度上具有复杂样条轮廓的表面；
控制所述激光束和所述透明材料之间的所述相对位置并且控制所述激光束的取向，使得所述连续激光细丝的阵列形成在所述透明材料内以便分离，控制所述激光脉冲以进行激光烧蚀，以便在第二光束传送中在相同的基板上移除材料。
23.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括如下步骤：
提供第二激光源以通过施加与所述基板材料具有足够温度差的热源来释放连续激光细丝的阵列，以致使在划线/切割位置处的分离。
24.根据权利要求23所述的系统，所述系统进一步包括：所述激光源能够是CO2、固态或纤维激光器。
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